由開關電源驅動的高速ADC設計

系統設計人員正面對越來越多的挑戰，他們非得在不降低系統元件（如高速資料轉換器）性能的情況下讓設計最大程度地實現節能。設計人員們可能轉而採用許多以電池供電的使用（如某種手持終端、軟體無線設備或可攜式超音波掃描器），也可能縮小產品的外形尺寸，因而非得尋求減少發熱的諸多辦法。

極大降低系統功耗的一種辦法是對高速資料轉換器的電源進行最佳化。資料轉換器設計和製程技術的一些最新進展，讓許多新型ADC可筆直由開關電源來驅動，因而達到最大化功效的目的。

系統設計人員們習慣在交換式穩壓器和ADC之間使用一些低雜訊、低壓降穩壓器（LDO），以清除輸出雜訊和開關頻率突波（請參見圖1）。但是，這種乾凈的電源設計代價是高功耗，因為LDO要求壓降余量來維持正常的執行。最低壓降一般為200到500mV，但在一些系統中則可高達1到2V（例如，ADC的3.3V電壓軌出現自一個使用LDO的5V開關電源時）。

圖1：從傳統電源轉到最大功效電源。

就一個要求3.3V電壓軌的資料轉換器而言，300mV的LDO壓降新增約10%的ADC功耗。這種效應在資料轉換器中更加顯著，因為它具有更小的製程節點和更低的電源電壓。例如，1.8V時，相同300mV壓降新增約17%（300mV/1.8V）的ADC功耗。因此，將該鏈路的低雜訊LDO去除可出現巨大的節能效果。去除LDO還可以降低設計板級空間、熱量以及成本。

本文闡述包括超高性能16位元ADC在內的一些TI高速ADC可在ADC性能無分明降低的條件下筆直透過交換式穩壓器驅動。為了闡述的方便，我們對兩款不同的資料轉換器（一款使用高性能BiCOM技術（ADS5483），另一款使用低功耗CMOS技術（ADS6148），以進行開關電源雜訊的感應性研究。本文的其他部份對所得結果分別進行解析。

採用BiCOM技術的ADC

這種製程技術實現寬輸入頻率範圍下的高訊號雜訊比（SNR）和高無突波動態範圍（SFDR）。BiCOM轉換器一般還具有許多晶片去耦電容器和非常不錯的電源抑制比（pSRR）。我們對ADS5483評估板（ADS5483EVM）進行了電源研究，其具有一個使用TpS5420交換式穩壓器（Sw_Reg）的板上電源；一個低雜訊LDO（TpS79501）；以及一個外部試驗室電源使用選項。我們使用圖2所示不同結構執行了5次試驗，旨在確定ADS5483透過一個交換式穩壓器筆直執行時出現的性能降低情況。由于ADS5483類比5V電源到目前為止表現出對電源雜訊的最大感應性，因此該研究忽略了3.3V電源的雜訊。ADS5483產品說明書中列出的pSRR支援這種情況：兩個3.3V電源的pSRR至少高出5V類比電源20dB。

圖2：使用ADS5483EVM的5次試驗電源結構。

5次試驗的結構變化配置如下：

試驗1：

一個5V試驗室電源筆直連接到5-V類比輸入，同時繞過交換式穩壓器（TpS5420）和低雜訊LDO（TpS79501）。使用一個板上LDO（TpS79633）出現ADS5483低感應度3.3V類比及數位電源的3.3V電壓軌。

試驗2

將一個10V試驗室電源連接到TpS5420降壓穩壓器，其使用一個5.3V輸出。這樣可為TpS79501供應一個300mV壓降，因而出現一個5V電壓軌。

試驗3

使用TpS5420，從10V試驗室電源出現一個5V電壓軌。本試驗中，我們繞過了TpS79501低雜訊LDO。圖3a顯示，如‘試驗2’連接的LDO較好地減少了交換式穩壓器的5.3V輸出峰值電壓。但是，圖3b顯示5VVDDA電壓軌鐵氧體磁珠之后輸出沒有巨大的差異。

圖3：試驗2（使用LDO）和試驗3（無LDO）的示波器截圖比較。

試驗4

本試驗配置辦法與‘試驗3’相同，但去除了TpS5420輸出的RC緩衝器電路，其會引起高振鈴和大開關頻率突波。

我們可在圖4中清楚的觀察到RC緩衝器電路的影響。去除LDO并沒有在鐵氧體磁珠之后表現出分明的差異，而去除RC緩衝器電路則會導致更大的清潔5VVDDA電壓軌電壓峰值進入ADC。我們將在稍后具體研究RC緩衝器電路的影響。

圖4：5VVDDA電壓軌的電源雜訊。

試驗5

將一個8Ω功率電阻連接到5V電源，類比如現場可程式設計閘陣列（FpGA）等額外負載。TpS5420非得供應更高的輸出電流，并更努力地驅動其內部開關，因而出現更大的輸出突波。通過重復進行‘試驗2’、‘試驗3’和‘試驗4’可以探測這種配置。

測量結果

我們利用輸入訊號頻率掃描比較了5個試驗。先使用135MSpS採樣速率然后使用80MSpS採樣速率對叁個ADS5483EVM執行了這種試驗，均沒有觀察到巨大的性能差異。

在使用135MSpS採樣速率情況下，SNR和SFDR的頻率掃描如圖5所示。在10到130MHz輸入頻率下SNR的最大變化約為0.1dB。SFDR結果也非常接近；在某些輸入頻率（例如：80MHz）下，可以觀測到下降1至2dB。

圖5；10到130MHz輸入頻率掃描。

5個試驗的FFT曲線圖比較（請參見圖6）顯示雜訊底限或突波振幅沒有出現較大的新增。使用LDO清除開關雜訊使得輸出頻譜看起來幾乎與乾凈5V試驗室電源完全相同。去除LDO以后，我們觀測到從交換式穩壓器出現了兩個突波，其具有一個來自10MHz輸入音調的約500kHz頻率偏置。RC緩衝器電路降低這些突波振幅約3dB，從約-108dBc降到了約-111dBc。這一值低于ADS5483的均勻突波振幅，其顯示ADS5483可在不犧牲SNR或SFDR性能的情況下筆直由一個交換式穩壓器來驅動。

圖6：500kHz偏置突波65k點FFT圖。

RC緩沖器

降壓穩壓器輸出能夠以相當高的開關速度對非常大的電壓執行開關作業。本文中，將TpS5420的輸入電壓軌設定為10V，我們可在輸出端觀測到許多過衝和振鈴，如圖7a所示。為了吸收一些電源電路電抗能量，我們將RC緩衝電路添加到了TpS5420的輸出（請參見圖7b）。該電路供應了一個高頻接地通路，其對過衝起到了一些阻滯用途。圖7a顯示RC緩衝器降低過衝約50%，并且幾乎完全消除了振鈴。我選用了R=2.2Ω和C=470pF的元件值。穩壓器的開關頻率範圍可以為500kHz到約6MHz，詳盡取決于製造廠商，因此可能要我們對R和C值進行調節。這種處理辦法的代價是帶來一些額外的分流電阻AC功耗（儘管電阻非常小），其降低穩壓器總功效不足1%。

圖7：TpS5420交換式穩壓器。

我們將10MHz輸入訊號標準化FFT圖繪製出來，以比較‘試驗1’到‘試驗4’（請參見圖8）。TpS5420的突波在約500kHz偏置時清晰可見。緩衝器降低突波振幅約3dB，而低雜訊LDO則完全消除了突波。要留意的是，RC緩衝器（無LDO）的突波振幅約為-112dBc，遠低于ADS5483均勻突波振幅，因此SFDR性能并未降低。

圖8：‘試驗1’到‘試驗4’的標準FFT圖。

在‘試驗5‘中，我們將一個8Ω功率電阻添加到5-VVDDA電壓軌，旨在模擬電源的重負載。標準化FFT圖（請參見圖9）并未顯示出很多不同。去除RC緩衝器以后，突波新增約4.5dB；其依然遠低于均勻突波振幅。

圖9：添加8Ω負載的標準化FFT圖。

采用CMOS技術的ADC

當關注要怎么樣在保持較佳的SNR和SFDR性能的同時也盡可能地降低功耗時，我們一般利用CMOS技術來開發高速資料轉換器。但是，CMOS轉換器的pSRR一般并不如BiCOMADC的好。ADS6148產品說明書列出了25dB的pSRR，而在類比輸入電源軌上ADS5483的pSRR則為60dB。

ADS6148EVM使用一種板上電源，其由一個交換式穩壓器（TpS5420）和一個低雜訊、5V輸出LDO（TpS79501）組成，后面是一些3.3V和1.8V電源軌的低雜訊LDO（請參見圖10）。與使用ADS5483EVM的5個試驗類似，我們使用ADS6148EVM進行了下面另外5個試驗，其留意力只聚集在3.3VVDDA電壓軌的雜訊上面。1.8VDVDD電壓軌外置TpS5420試驗顯示對SNR和SFDR性能沒有哪些大的影響。

圖10：使用ADS6148EVM的5個試驗電源結構。

試驗6

將一個5V試驗室電源連接到兩個低雜訊LDO（一個使用3.3V輸出，另一個使用1.8V輸出）的輸入。LDO并未對試驗室電源帶來任何有影響的雜訊。

試驗7

將一個10V試驗室電源連接到TpS5420降壓穩壓器，其與一個5.3V輸出連接，像‘試驗2’連接ADS5483相同。TpS79501出現了一個過濾后的5.0V電壓軌，關于3.3V輸出和1.8V輸出LDO供應輸入，如圖10所示。

試驗8

所有3.3VVDDA電壓軌LDO均被加以旁路。TpS5420配置為一個3.3V輸出，該輸出筆直連接到3.3VVDDA電壓軌。TpS79601出現1.8VDVDD電壓軌，并透過一個外部5V試驗室電源供電。

試驗9

該試驗配置辦法與‘試驗8’相同，但去除了TpS5420輸出的RC緩衝器電路。

試驗10

一個4Ω功率電阻連接到TpS5420的3.3V輸出。這樣做可大幅新增TpS5420的輸出電流，因而類比一個附加負載。另外，像‘試驗5’的ADS5483相同，它帶來了更高的開關突波和更多的振鈴。

圖11顯示了‘試驗7’、‘試驗8’和‘試驗9’出現的一些3.3VVDDA輸出波形。有或無LDO的峰值電壓振幅存在一些差異，但RC緩衝器可降低60%的峰值雜訊。

圖11：鐵氧體磁珠后測得3.3VVDDA電壓軌試驗示波器截圖比較。

測量結果

利用輸入訊號頻率掃描，透過比較‘試驗6’到‘試驗10’，我們可以研究ADS6148對電源雜訊的感應性。先使用135MSpS然后使用210MSpS的採樣速率（fs）對叁個ADS6148EVM進行數次試驗。我們并未檢測到較大的性能差異。

使用135MSpS採樣速率，SNR和SFDR的頻率掃描如圖12所示。高達300MHz輸入頻率下SNR的最大變化為0.1到0.2dB。但是，一旦移除了RC緩衝器電路，雜訊便極大新增，因而降低SNR約0.5到1dB。

圖12b顯示了5次ADS6148試驗輸入頻率的SFDR變化。我們并未觀測到較大的性能降低。

圖12：10到300MHz的輸入頻率掃描。

比較圖13所示FFT圖，我們知道無RC緩衝器SNR略微減少的塬因。去除RC緩衝器電路后，在ADS6148輸出能譜中，我們可看到分佈間隔約為500kHz（TpS5420開關頻率）的眾多小突波，如圖13所示。相較于ADS5483，這些小突波更具主導性，并且因為ADS6148的固有低pSRRSNR大幅降低。但是，圖13所示FFT圖還顯示添加的RC緩衝器電路較好地彌補了這一不足。

圖13：大批突波的65k點FFT圖。

圖14所示標準化FFT圖顯示交換式穩壓器的突波高出ADC均勻雜訊層約5到6dB。其非常低，以至于其對SFDR減少無法出現影響，但卻分明地影響了ADC的SNR。

圖14：標準化FFT圖顯示使用RC緩衝器的好處。

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