當(dāng)今許多應(yīng)用要求高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有12位或以上的分辨率，以便用戶能夠進(jìn)行更精確的系統(tǒng)測量。然而，更高分辨率也意味著系統(tǒng)對(duì)噪聲更加敏感,。系統(tǒng)分辨率每提高一位,，例如從12位提高到13位,，系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感度就會(huì)提高一倍,。因此,，對(duì)于ADC設(shè)計(jì),，設(shè)計(jì)人員必須考慮一個(gè)常常被遺忘的噪聲源——系統(tǒng)電源,。ADC是敏感器件，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊所述的佳額定性能,，應(yīng)當(dāng)同等看待模擬,、時(shí)鐘和電源等所有輸入端。噪聲來源眾多,，形式多樣,，噪聲輻射會(huì)影響性能。
大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊建議使用線性電源,，因?yàn)槠湓肼暤陀陂_關(guān)電源,。這在某些情況下可能確實(shí)如此，但是由于低噪聲線性穩(wěn)壓器的負(fù)載能力有限,，而且新的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)證明,，開關(guān)電源也可以用于通信和醫(yī)療應(yīng)用。
本文介紹對(duì)于了解高速ADC電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要的各種測試測量方法,。為了確定轉(zhuǎn)換器對(duì)供電軌噪聲影響的敏感度,，以及確定供電軌必須處于何種噪聲水平才能使ADC實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能，有兩種測試十分有用：一般稱為電源抑制比(PSRR)和電源調(diào)制比(PSMR),。
當(dāng)供電軌上有噪聲時(shí),，決定ADC性能的因素主要有兩個(gè)，它們是PSRR-dc,、PSRR-ac和PSMR,。PSRR-dc指電源電壓的變化與由此產(chǎn)生的ADC增益或失調(diào)誤差的變化之比值，它可以用低有效位(LSB)的分?jǐn)?shù),、百分比或?qū)?shù)dB (PSR = 20 × log10 (PSRR))來表示,，通常規(guī)定采用直流條件。 但是,，這種方法只能揭示ADC的一個(gè)額定參數(shù)隨電源電壓可能會(huì)如何變化,，因此無法證明轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性,。更好的方法是在直流電源之上施加一個(gè)交流信號(hào)，然后測試電源抑制性能(PSRR-ac),，從而主動(dòng)通過轉(zhuǎn)換器電路耦合信號(hào)（噪聲源）。這種方法本質(zhì)上是對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行衰減,，將其自身表現(xiàn)為雜散（噪聲）,，它會(huì)在某一給定幅度升高至轉(zhuǎn)換器噪底以上。其意義是表明在注入噪聲和幅度給定的條件下轉(zhuǎn)換器何時(shí)會(huì)崩潰,。同時(shí),，這也能讓設(shè)計(jì)人員了解到多大的電源噪聲會(huì)影響信號(hào)或加入到信號(hào)中。PSMR則以不同的方式影響轉(zhuǎn)換器,，它表明當(dāng)與施加的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí),，轉(zhuǎn)換器對(duì)電源噪聲影響的敏感度。這種影響表現(xiàn)為施加于轉(zhuǎn)換器的IF頻率附近的調(diào)制,，如果電源設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn),，它可能會(huì)嚴(yán)重破壞載波邊帶。
總之,，電源噪聲應(yīng)當(dāng)像轉(zhuǎn)換器的任何其它輸入一樣進(jìn)行測試和處理,。用戶必須了解系統(tǒng)電源噪聲，否則電源噪聲會(huì)提高轉(zhuǎn)換器噪底,，限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,。
電源噪聲分析
對(duì)于轉(zhuǎn)換器和終的系統(tǒng)而言，必須確保任意給定輸入上的噪聲不會(huì)影響性能,。前面已經(jīng)介紹了PSRR,、PSMR及其重要意義，下面將通過一個(gè)示例說明如何應(yīng)用所測得的數(shù)值,。該示例將有助于設(shè)計(jì)人員明白,，為了了解電源噪聲并滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)當(dāng)注意哪些方面以及如何正確設(shè)計(jì),。
首先選擇轉(zhuǎn)換器,，然后選擇調(diào)節(jié)器、LDO,、開關(guān)調(diào)節(jié)器或其它器件,。并非所有調(diào)節(jié)器都適用。應(yīng)當(dāng)查看調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)手冊中的噪聲和紋波指標(biāo),，以及開關(guān)頻率（如果使用開關(guān)調(diào)節(jié)器）,。典型調(diào)節(jié)器在100 kHz帶寬內(nèi)可能具有10 μV rms噪聲。假設(shè)該噪聲為白噪聲,，則它在目標(biāo)頻段內(nèi)相當(dāng)于31.6 nVrms/rt-Hz的噪聲密度,。
接著檢查轉(zhuǎn)換器的電源抑制指標(biāo),，了解轉(zhuǎn)換器的性能何時(shí)會(huì)因?yàn)殡娫丛肼暥陆怠Ｔ趂s/2的奈奎斯特區(qū),，大多數(shù)高速轉(zhuǎn)換器的PSRR典型值為60 dB (1 mV/V),。如果數(shù)據(jù)手冊未給出該值，請(qǐng)按照上述方法進(jìn)行測量,，或者詢問廠家,。
使用一個(gè)2Vpp滿量程輸入范圍、78dB SNR和125MSPS采樣速率的16位ADC,，其噪底為11.26 n V rms,。任何來源的噪聲都必須低于此值，以防其影響轉(zhuǎn)換器,。在奈奎斯特區(qū),，轉(zhuǎn)換器噪聲將是89.02 μV rms (11.26 nVrms/rt-Hz) × sqrt(125 MHz/2)。雖然調(diào)節(jié)器的噪聲(31.6 nv/rt-Hz)是轉(zhuǎn)換器的兩倍以上,，但轉(zhuǎn)換器有60dB的PSRR,，它會(huì)將開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲抑制到31.6 pV/rt-Hz (31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V)。這一噪聲比轉(zhuǎn)換器的噪底小得多,，因此調(diào)節(jié)器的噪聲不會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的性能,。
電源濾波、接地和布局同樣重要,。在ADC電源引腳上增加 0.1 μF電容可使噪聲低于上述計(jì)算值,。請(qǐng)記住，某些電源引腳吸取的電流較多,，或者比其它電源引腳更敏感,。因此應(yīng)當(dāng)慎用去耦電容，但要注意某些電源引腳可能需要額外的去耦電容,。在電源輸出端增加一個(gè)簡單的LC濾波器也有助于降低噪聲,。不過，當(dāng)使用開關(guān)調(diào)節(jié)器時(shí),，級(jí)聯(lián)濾波器能將噪聲抑制到更低水平,。需要記住的是，每增加一級(jí)增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20 dB,。
后需要注意的一點(diǎn)是,，上述分析僅針對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)換器而言。如果系統(tǒng)涉及到多個(gè)轉(zhuǎn)換器或通道,，噪聲分析將有所不同,。例如，超聲系統(tǒng)采用許多ADC通道,，這些通道以數(shù)字方式求和來提高動(dòng)態(tài)范圍,?；径裕ǖ罃?shù)量每增加一倍,，轉(zhuǎn)換器/系統(tǒng)的噪底就會(huì)降低3dB,。對(duì)于上例，如果使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換器的噪底將變?yōu)橐话?-3dB),；如果使用四個(gè)轉(zhuǎn)換器，噪底將變?yōu)?6dB,。之所以如此，是因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)作不相關(guān)的噪聲源來對(duì)待,。不相關(guān)噪聲源彼此之間是獨(dú)立的,，因此可以進(jìn)行RSS（平方和的平方根）計(jì)算。終,，隨著通道數(shù)量增加,，系統(tǒng)的噪底降低，系統(tǒng)將變得更敏感,，對(duì)電源的設(shè)計(jì)約束條件也更嚴(yán)格,。
要想消除應(yīng)用中的所有電源噪聲是不可能的。任何系統(tǒng)都不可能完全不受電源噪聲的影響,。因此,，作為ADC的用戶，設(shè)計(jì)人員必須在電源設(shè)計(jì)和布局布線階段就做好積極應(yīng)對(duì),。下面是一些有用的提示,，可幫助設(shè)計(jì)人員大程度地提高PCB對(duì)電源變化的抗擾度：
(1) 對(duì)到達(dá)系統(tǒng)板的所有電源軌和總線電壓去耦。
(2) 記?。好吭黾右患?jí)增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20 dB,。
(3) 如果電源引線較長并為特定IC、器件和/或區(qū)域供電,，則應(yīng)再次去耦,。
(4) 對(duì)高頻和低頻都要去耦。
(5) 去耦電容接地前的電源入口點(diǎn)常常使用串聯(lián)鐵氧體磁珠,。對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)板的每個(gè)電源電壓都要這樣做,，無論它是來自LDO還是來自開關(guān)調(diào)節(jié)器。
(6) 對(duì)于加入的電容,，應(yīng)使用緊密疊置的電源和接地層（間距≤4密爾）,，從而使PCB設(shè)計(jì)本身具備高頻去耦能力。
(7) 同任何良好的電路板布局一樣,，電源應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬電路,，如ADC的前端級(jí)和時(shí)鐘電路等,。
(8) 良好的電路分割至關(guān)重要，可以將一些元件放在PCB的背面以增強(qiáng)隔離,。
(9) 注意接地返回路徑,，特別是數(shù)字側(cè)，確保數(shù)字瞬變不會(huì)返回到電路板的模擬部分,。某些情況下,，分離接地層也可能有用。
(10) 將模擬和數(shù)字參考元件保持在各自的層面上,。這一常規(guī)做法可增強(qiáng)對(duì)噪聲和耦合交互作用的隔離,。
(11) 遵循IC制造商的建議；如果應(yīng)用筆記或數(shù)據(jù)手冊沒有直接說明,，則應(yīng)研究評(píng)估板,。這些都是非常好的起步工具。
坤馳科技超低噪聲電源電路設(shè)計(jì)：
采用多級(jí)寬帶電源濾波器和超低噪聲電源模塊,，輸出噪聲小于400uV rms的電源,，主要給時(shí)鐘電路和ADC、DAC等模擬電源供電,。
超低噪聲電源系統(tǒng)測試環(huán)境如下
外接X5寬帶放大器,，示波器等效200uV/div，電源輸出噪聲小于400uV RMS
若您有高速數(shù)據(jù)采集板卡定制需求,，請(qǐng)聯(lián)系我們：400-000-4026
關(guān)于坤馳科技：
坤馳科技是專注于高速數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理,、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄的高科技公司。坤馳科技為用戶提供成熟的標(biāo)準(zhǔn)高速數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品與技術(shù),，也可為用戶提供定制化的高速信號(hào)采集解決方案,。目前坤馳科技服務(wù)過的研究所、科研單位已達(dá)近百家,。高速數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品線涵蓋PCIExpress,、cPCI、PXIe,、VPX,、USB等總線，包含高速AD,、DA平臺(tái),、FPGA、DSP處理平臺(tái),，SATA/SSD,、Flash存儲(chǔ)平臺(tái)等。
全國咨詢電話：400-000-4026
公司官方網(wǎng)站：http://jtyykv.cn
