掌握模數轉換器的電源設計技巧

問題：開關電源（DC/DC轉換器）真的會降低ADC的性能嗎？

　　回答：工程師一般認為開關電源會降低ADC的性能，因此通常愿意選用低壓差（LDO）線性穩壓器，而不使用開關穩壓器，但這種認識并非完全正確。LDO具有較低的紋波和噪聲指標，但最近的研究表明，高效的開關穩壓器也可用于一些轉換器設計中，前提是設計師對電路拓撲有很好的理解，運用一些實用技巧，同時采取一些必要的防范措施。

　　首先是選擇轉換器，然后選擇正確的開關穩壓器，并不是任何開關穩壓器都可以使用。從數據手冊上查閱開關穩壓器的噪聲和紋波指標，以及開關頻率。典型的開關穩壓器在100kHz帶寬范圍內大概有10μV rms的噪聲。假設它們都是白噪聲，那么有關頻帶內的噪聲密度相當于31.6 nVrms/rt-Hz。

　　其次，要查閱轉換器的電源抑制（PSR）指標，以了解由于電源噪聲引起的轉換器性能下降的關鍵點。大多數高速轉換器在第一奈奎斯特區內的PSR典型值為60dB（1mV/V）。

　　在使用具有2Vpp滿量程輸入范圍、78dB信噪比和125 MSPS采樣速率的16位ADC時，本底噪聲為11.26 nVrms。不管噪聲源自何處，都必須低于這個值，這樣才能不影響轉換器的性能。在第一奈奎斯特區fs/2，轉換器噪聲等于89.02μVrms（11.26 nVrms/rt-Hz）×sqrt（125 MHz/2）。雖然開關穩壓器的噪聲（31.6 nv/rt-Hz）高過這個轉換器噪聲的兩倍，但注意轉換器還有60dB的PSRR，它能將開關穩壓器的噪聲抑制到31.6 pV/rt-Hz （31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V）。這個噪聲比轉換器的本底噪聲要小得多，因此開關穩壓器的噪聲不會降低轉換器性能。

　　另外，電源濾波、接地和布線也很重要。在ADC電源引腳處增加0.1 μF電容，可以使噪聲降低到比上面的計算結果還要小。在電源輸出端增加一個簡單的LC濾波器也可行，但級聯的濾波器能將開關穩壓器噪聲抑制得更多。眾所周知，濾波器每增加一級就能獲得約20dB/10倍頻程的噪聲抑制效果。緊密疊層的電源和地平面（間距4mil）可以為PCB設計增加固有的高頻去耦效果。最后，良好的物理劃分是關鍵，盡量使敏感的模擬電路遠離開關電路。