CAT蓄电池高速ADC的电源设计探讨

摘 要：论述了高速ADC电源规划中的电源按捺剖析。对电源噪声进行了剖析讨论，阐明了电源噪声的消除办法。

关键词：高速ADC电源规划；电源按捺剖析；电源噪声；消除办法

0引 言

当今许多运用都要求高速采样模数转化器(ADC)具有12位或以上的分辨率，以便用户能够进行更准确的体系测量。可是，更高分辨率也意味着体系对噪声更加灵敏。体系分辨率每进步一位，例如从12位进步到13位，体系对噪声的灵敏度就会进步一倍。因而，关于ADC规划，规划人员有必要考虑一个常常被遗忘的噪声源——体系电源。ADC归于灵敏型器材，每个输入(即模仿、时钟和电源输入)均应相等对待，以便如数据手册所述，完成最佳功能。噪声来历众多，形式多样，噪声辐射会影响功能。

当今电子业界的时尚概念是新规划在下降成本的一起还要 “绿色环保”。详细到便携式运用，它要求下降功耗、简化热管理、最大化电源效率并延伸电池运用时间。可是，大多数ADC的数据手册主张运用线性电源，由于其噪声低于开关电源。

本文介绍关于了解高速ADC电源规划至关重要的各种测验测量办法。为了确认转化器对供电轨噪声影响的灵敏度，以及确认供电轨有必要处于何种噪声水平才能使ADC完成预期功能，有两种测验非常有用：一般称为电源按捺比(PSRR)和电源调制比(PSMR)。

1电源按捺剖析

当供电轨上有噪声时，决议ADC功能的要素主要有三个，它们是PSRR-dc、PSRR-ac和PSMR。PSRR-dc指电源电压的改变与由此产生的ADC增益或失调差错的改变之比值，它能够用最低有用位(LSB)的分数、百分比或对数dB(PSR=20× log10 (PSRR))来标明，一般规定选用直流条件。

可是，这种办法只能揭示ADC的一个额外参数随电源电压或许会怎么改变，因而无法证明转化器的稳定性。更好的 办法是在直流电源之上施加一个沟通信号，然后测验电源 按捺功能(PSRR-ac)，然后自动经过转化器电路耦合信号(噪声源)。这种办法本质上是对转化器进行衰减，将其自身表现为杂散(噪声)，它会在某一给定起伏升高至转化器噪底以上。其意义是标明在注入噪声和起伏给定的条件下 转化器何时会溃散。一起，这也能让规划人员了解到多大的电源噪声会影响信号或加入到信号中。PSMR则以不同的方法影响转化器，它标明当与施加的模仿输入信号进行调制时，转化器对电源噪声影响的灵敏度。这种影响表现 为施加于转化器的IF频率附近的调制，假如电源规划不严谨，它或许会严重破坏载波边带。

总之，电源噪声应当像转化器的任何其他输入相同进行测验和处理。用户有必要了解体系电源噪声，否则电源噪声会进步转化器噪底，限制整个体系的动态规模。

2电源噪声剖析

关于转化器和最终的体系而言，有必要确保恣意给定输入上 的噪声不会影响功能。前面现已介绍了PSRR和PSMR及其重要意义，下面将经过一个示例阐明怎么运用所测得的数值。该示例将有助于规划人员理解，为了了解电源噪声并满意体系规划需求，应当留意哪些方面以及怎么正确规划。

首先，挑选转化器，然后挑选调节器、LDO、开关调节器等。并非一切调节器都适用。应当查看调节器数据手册中的噪声和纹波目标，以及开关频率(假如运用开关调节器)。 典型调节器在100kHz带宽内或许具有10µVrms噪声。假定 该噪声为白噪声，则它在目标频段内相当于31.6nVrms/√Hz 的噪声密度。

接着查看转化器的电源按捺目标，了解转化器的功能何时 会由于电源噪声而下降。在榜首奈奎斯特区fS/2，大多数 高速转化器的PSRR典型值为60 dB (1 mV/V)。假如数据手册 未给出该值，请按照前述办法进行测量，或许问询厂家。

运用一个2 V p-p满量程输入规模、78 dB SNR和125 MSPS采 样速率的16位ADC，其噪底为11.26 nV rms。任何来历的噪 声都有必要低于此值，以防其影响转化器。在榜首奈奎斯特 区，转化器噪声将是89.02 µV rms (11.26 nV rms/√Hz) × √ (125 MHz/2)。虽然调节器的噪声(31.6 nv/√Hz)是转化器的 两倍以上，但转化器有60 dB的PSRR，它会将开关调节器的 噪声按捺到31.6 pV/√Hz (31.6 nV/√Hz × 1 mV/V)。这一噪声 比转化器的噪底小得多，因而调节器的噪声不会下降转化 器的功能。

电源滤波、接地和布局相同重要。在ADC电源引脚上添加 0.1 µF电容可使噪声低于前述核算值。请记住，某些电源引 脚吸取的电流较多，或许比其他电源引脚更灵敏。因而应 当慎用去耦电容，但要留意某些电源引脚或许需要额外的 去耦电容。在电源输出端添加一个简略的LC滤波器也有助 于下降噪声。不过，当运用开关调节器时，级联滤波器能 将噪声按捺到更低水平。需要记住的是，每添加一级增益 就会每10倍频程添加大约20 dB。

最后需要留意的一点是，这种剖析仅针对单个转化器而 言。假如体系涉及到多个转化器或通道，噪声剖析将有所 不同。例如，超声体系选用许多ADC通道，这些通道以数 字方法求和来进步动态规模。根本而言，通道数量每添加 一倍，转化器/体系的噪底就会下降3 dB。关于上例，假如 运用两个转化器，转化器的噪底将变为一半(−3 dB)；假如 运用四个转化器，噪底将变为−6 dB。之所以如此，是由于 每个转化器能够当作不相关的噪声源来对待。不相关噪声 源彼此之间是独立的，因而能够进行RSS(平方和的平方根) 核算。最终，随着通道数量添加，体系的噪底下降，体系 将变得更灵敏，对电源的规划约束条件也更严格。

3电源噪声消除办法讨论

要想消除运用中的一切电源噪声是不或许的。任何体系都不或许完全不受电源噪声的影响。因而，作为ADC的用户，规划人员有必要在电源规划和布局布线阶段就做好活跃 应对。下面是一些有用的提示，可帮助规划人员最大程度地进步PCB对电源改变的抗扰度：

• 对到达体系板的一切电源轨和总线电压去耦。

• 每添加一级增益就会每10倍频程添加大约20 dB。

• 假如电源引线较长并为特定IC、器材和/或区域供电， 则应再次去耦。

• 对高频和低频都要去耦。

• 去耦电容接地前的电源进口点常常运用串联铁氧体磁 珠。对进入体系板的每个电源电压都要这样做，不管它 是来自LDO仍是来自开关调节器。

• 关于加入的电容，应运用紧密叠置的电源和接地层(间 距≤4密尔)，然后使PCB规划本身具备高频去耦才能。

• 同任何良好的电路板布局相同，电源应远离灵敏的模仿 电路，如ADC的前端级和时钟电路等。

• 良好的电路分割至关重要，能够将一些元件放在PCB的 背面以增强隔离。

• 留意接地回来路径，特别是数字侧，确保数字瞬变不会 回来到电路板的模仿部分。某些情况下，分离接地层也 或许有用。

• 将模仿和数字参考元件保持在各自的层面上。这一常规 做法可增强对噪声和耦合交互作用的隔离。

• 遵循IC制造商的主张；假如运用笔记或数据手册没有直接 阐明，则应研讨评估板。这些都是非常好的起步东西。

4结束语

本文旨在阐明高速转化器的电源灵敏问题， 以及它为何对用户的体系动态规模如此重要。为使体系板上的ADC完成数据手册所述的功能标准，规划人员应当了解所需的布局布线技能和硬件。