中心議題:
- 電源抑制介紹
- 電源測(cè)試
- 電源噪聲分析
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(cè)量。遺憾的是,更高的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(cè)所述的最佳額定性能,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。
當(dāng)今電子業(yè)界的時(shí)髦概念是新設(shè)計(jì)在降低成本的同時(shí)還要“綠色環(huán)保”。具體到便攜式應(yīng)用,它要求降低功耗、簡化散熱管理、最大化電源效率并延長電池使用時(shí)間。然而,大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)試測(cè)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(cè)試十分有用:一般稱為電源抑制比(PSRR)和電源調(diào)制比(PSMR)。
何謂電源抑制
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,它可以用最低有效位(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(cè)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)以某一給定幅度提升至超過轉(zhuǎn)換器的噪聲基底值。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(cè)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)換器噪聲基底,限制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
電源測(cè)試
圖1所示為在系統(tǒng)板上測(cè)量ADC PSRR的設(shè)置。分別測(cè)量每個(gè)電源,以便更好地了解當(dāng)一個(gè)交流信號(hào)施加于待測(cè)電源之上時(shí),ADC的動(dòng)態(tài)特性。開始時(shí)使用一個(gè)高容值電容,例如100uF非極化電解質(zhì)電容。采用1mH的電感來充當(dāng)直流電源的交流阻斷器,一般將它稱為“偏置-T”,可以購買采用連接器式封裝的產(chǎn)品。
使用示波器測(cè)量交流信號(hào)的幅度,將一個(gè)示波器探針放在電源進(jìn)入待測(cè)ADC的電源引腳上。為簡化起見,將施加于電源上的交流信號(hào)量定義為一個(gè)與轉(zhuǎn)換器輸入滿量程相關(guān)的值。例如,如果ADC的滿量程為2Vpp,則使用200mVpp或-20dB。接下來讓轉(zhuǎn)換器的輸入端接地(不施加模擬信號(hào)),查找噪聲基底/FFT頻譜中處于測(cè)試頻率的誤差雜散,如圖2所示。若要計(jì)算PSRR,只需從FFT頻譜上所示的誤差雜散值中減去–20dB即可。例如,如果誤差雜散出現(xiàn)在噪聲基底的-80dB處,則PSRR為-80dB - (-20dB),即-60dB(PSRR = 誤差雜散(dB) - 示波器測(cè)量結(jié)果(dB))。-60dB的值似乎不太正常,但如果換算成電壓,它相當(dāng)于1 mV/V(或10-60/20),這個(gè)數(shù)字對(duì)于任何轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的PSRR規(guī)格而言都并不鮮見。
下一步是改變交流信號(hào)的頻率和幅度,以便確定ADC在系統(tǒng)板中的PSRR特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的大部分?jǐn)?shù)值是典型值,可能只針對(duì)最差工作條件或最差性能的電源。例如,相對(duì)于其它電源,+5 V模擬電源可能是最差的。應(yīng)確保所有電源的特性都有說明,如果說明得不全面,請(qǐng)咨詢廠家。這樣,設(shè)計(jì)人員將能為每個(gè)電源設(shè)置適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)約束條件。
請(qǐng)記住,使用LC配置測(cè)試PSRR/PSMR時(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)掃描目標(biāo)頻段時(shí),為使ADC電源引腳達(dá)到所需的輸入電平,波形發(fā)生器輸出端所需的信號(hào)電平可能非常高。這是因?yàn)長C配置會(huì)在某一頻率(該頻率取決于所選的值)形成陷波濾波器。這會(huì)大大增加陷波濾波器處的接地電流,該電流可能會(huì)進(jìn)入模擬輸入端。要解決這一問題,只需在測(cè)試頻率造成測(cè)量困難時(shí)換入新的LC值。這里還應(yīng)注意,LC網(wǎng)絡(luò)在直流條件下也會(huì)發(fā)生損耗。記住要在ADC的電源引腳上測(cè)量直流電源,以便補(bǔ)償該損耗。例如,+5V電源經(jīng)過LC網(wǎng)絡(luò)后,系統(tǒng)板上可能只有+4.8V。要補(bǔ)償該損耗,只需升高電源電壓即可。
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PSMR的測(cè)量方式基本上與PSRR相同。不過在測(cè)量PSMR時(shí),需將一個(gè)模擬輸入頻率施加于測(cè)試設(shè)置,如圖3所示。
另一個(gè)區(qū)別是僅在低頻施加調(diào)制或誤差信號(hào),目的是觀察此信號(hào)與施加于轉(zhuǎn)換器的模擬輸入頻率的混頻效應(yīng)。對(duì)于這種測(cè)試,通常使用1-100kHz 頻率。只要能在基頻周圍看到誤差信號(hào)即混頻結(jié)果,則說明誤差信號(hào)的幅度可以保持相對(duì)恒定。但也不妨改變所施加的調(diào)制誤差信號(hào)幅度,以便進(jìn)行檢查,確保此值恒定。為了獲得最終結(jié)果,最高(最差)調(diào)制雜散相對(duì)于基頻的幅度之差將決定PSMR規(guī)格。圖4所示為實(shí)測(cè)PSMR FFT頻譜的示例。
電源噪聲分析
對(duì)于轉(zhuǎn)換器和最終的系統(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(cè)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(cè)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?。在fs/2的第一奈奎斯特區(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(cè)未給出該值,請(qǐng)按照上述方法進(jìn)行測(cè)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,其噪聲基底為11.26 nVrms。任何來源的噪聲都必須低于此值,以防其影響轉(zhuǎn)換器。在第一奈奎斯特區(qū),轉(zhuǎn)換器噪聲將是89.02 μV rms (11.26 nVrms/rt-Hz) × sqrt(125MHz/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)換器的噪聲基底小得多,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0.1μF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20dB。
最后需要注意的一點(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?;驹硎牵和ǖ罃?shù)量每增加一倍,轉(zhuǎn)換器/系統(tǒng)的噪聲基底就會(huì)降低3dB。對(duì)于上例,如果使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器的噪聲基底將變?yōu)橐话耄?3dB);如果使用四個(gè)轉(zhuǎn)換器,噪聲基底將變?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。最終,隨著通道數(shù)量增加,系統(tǒng)的噪聲基底降低,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。
本文小結(jié)
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)人員最大程度地提高PCB對(duì)電源變化的抗擾度:
對(duì)到達(dá)系統(tǒng)板的所有電源軌和總線電壓去耦。
記?。好吭黾右患?jí)增益就會(huì)每10倍頻程增加大約20 dB。
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。
對(duì)高頻和低頻都要去耦。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
遵循IC制造商的建議;如果應(yīng)用筆記或數(shù)據(jù)手冊(cè)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。