深入了解ADC，大佬带你看高速ADC电源设计 · 下篇

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一、电源测试

图6所示为在系统板上测量ADC PSRR的设置。分别测量每个电源，以便更好地了解当一个交流信号施加于待测电源之上时，ADC的动态特性。开始时使用一个高容值电容，例如100 µF非极化电解质电容。电感使用1 mH，充当直流电源的交流阻塞器，一般将它称为“偏置-T”，可以购买采用连接器式封装的产品。

使用示波器测量交流信号的幅度，将一个示波器探针放在电源进入待测ADC的电源引脚上。为简化起见，将施加于电源上的交流信号量定义为一个与转换器输入满量程相关的值。例如，如果ADC的满量程为2V p-p，则使用200 mV p-p或–20 dB。接下来让转换器的输入端接地(不施加模拟信号)，查找噪底/FFT频谱中处于测试频率的误差杂散，如图5所示。若要计算PSRR，只需从FFT频谱上所示的误差杂散值中减去–20 dB即可。例如，如果误差杂散出现在噪底的–80 dB处，则PSRR为–80 dB – –20 dB，即–60 dB(PSRR = 误差杂散(dB) – 示波器测量结果(dB))。–60 dB的值似乎并不大，但如果换算成电压，它相当于1 mV/V(或10−60/20)，这个数字对于任何转换器数据手册中的PSRR规格而言都并不鲜见。

下一步是改变交流信号的频率和幅度，以便确定ADC在系统板中的PSRR特性。数据手册中的大部分数值是典型值，可能只针对最差工作条件或最差性能的电源。例如，相对于其他电源，5 V模拟电源可能是最差的。应确保所有电源的特性都有说明，如果说明得不全面，请咨询厂家。这样，设计人员将能为每个电源设置适当的设计约束条件。请记住，使用LC配置测试PSRR/PSMR时有一个缺点。当扫描目标频段时，为使ADC电源引脚达到所需的输入电平，波形发生器输出端所需的信号电平可能非常高。这是因为LC配置会在某一频率(该频率取决于所选的值)形成陷波滤波器。这会大大增加陷波滤波器处的接地电流，该电流可能会进入模拟输入端。要解决这一问题，只需在测试频率造成测量困难时换入新的LC值。这里还应注意，LC网络在直流条件下也会发生损耗。记住要在ADC的电源引脚上测量直流电源，以便补偿该损耗。例如，5 V电源经过LC网络后，系统板上可能只有4.8 V。要补偿该损耗，只需升高电源电压即可。

PSMR的测量方式基本上与PSRR相同。不过在测量PSMR时，需将一个模拟输入频率施加于测试设置，如图7所示。另一个区别是仅在低频施加调制或误差信号，目的是查看此信号与施加于转换器的模拟输入频率的混频效应。对于这种测试，通常使用1 kHz至100 kHz频率。只要能在基频周围看到误差信号即混频结果，则说明误差信号的幅度可以保持相对恒定。但也不妨改变所施加的调制误差信号幅度，以便进行检查，确保此值恒定。为了获得最终结果，最高(最差)调制杂散相对于基频的幅度之差将决定PSMR规格。图8所示为实测PSMR FFT频谱的示例。

二、电源噪声分析

对于转换器和最终的系统而言，必须确保任意给定输入上的噪声不会影响性能。前面已经介绍了PSRR和PSMR及其重要意义，下面将通过一个示例说明如何应用所测得的数值。该示例将有助于设计人员明白，为了了解电源噪声并满足系统设计需求，应当注意哪些方面以及如何正确设计。

首先，选择转换器，然后选择调节器、LDO、开关调节器等。并非所有调节器都适用。应当查看调节器数据手册中的噪声和纹波指标，以及开关频率(如果使用开关调节器)。典型调节器在100 kHz带宽内可能具有10 µV rms噪声。假设该噪声为白噪声，则它在目标频段内相当于31.6 nV rms/√Hz的噪声密度。

接着检查转换器的电源抑制指标，了解转换器的性能何时会因为电源噪声而下降。在第一奈奎斯特区fS/2，大多数高速转换器的PSRR典型值为60 dB (1 mV/V)。如果数据手册未给出该值，请按照前述方法进行测量，或者询问厂家。使用一个2 V p-p满量程输入范围、78 dB SNR和125 MSPS采样速率的16位ADC，其噪底为11.26 nV rms。任何来源的噪

声都必须低于此值，以防其影响转换器。在第一奈奎斯特区，转换器噪声将是89.02 µV rms (11.26 nV rms/√Hz) &TImes; √(125 MHz/2)。虽然调节器的噪声(31.6 nv/√Hz)是转换器的两倍以上，但转换器有60 dB的PSRR，它会将开关调节器的噪声抑制到31.6 pV/√Hz (31.6 nV/√Hz × 1 mV/V)。这一噪声比转换器的噪底小得多，因此调节器的噪声不会降低转换器的性能。

电源滤波、接地和布局同样重要。在ADC电源引脚上增加0.1 µF电容可使噪声低于前述计算值。请记住，某些电源引脚吸取的电流较多，或者比其他电源引脚更敏感。因此应当慎用去耦电容，但要注意某些电源引脚可能需要额外的去耦电容。在电源输出端增加一个简单的LC滤波器也有助于降低噪声。不过，当使用开关调节器时，级联滤波器能将噪声抑制到更低水平。需要记住的是，每增加一级增益就会每10倍频程增加大约20 dB。

最后需要注意的一点是，这种分析仅针对单个转换器而言。如果系统涉及到多个转换器或通道，噪声分析将有所不同。例如，超声系统采用许多ADC通道，这些通道以数字方式求和来提高动态范围。基本而言，通道数量每增加一倍，转换器/系统的噪底就会降低3 dB。对于上例，如果使用两个转换器，转换器的噪底将变为一半(−3 dB);如果使用四个转器，噪底将变为−6 dB。之所以如此，是因为每个转换器可以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，因此可以进行RSS(平方和的平方根)计算。最终，随着通道数量增加，系统的噪底降低，系统将变得更敏感，对电源的设计约束条件也更严格。

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