高速adc的电源设计-texasinstruments

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1、高速ADC的电源设计作者：ThomasNeu，德州仪器(TI)系统与应用工程师系统设计人员正面临越来越多的挑战，他们需要在不降低系统组件（例如：高速数据转换器）性能的情况下让其设计最大程度地节能。设计人员们可能会转而采用许多电池供电的应用（例如：某种手持终端、软件无线设备或便携式超声波扫描仪），也可能会缩小产品的外形尺寸，从而需要寻求减少发热的诸多方法。极大降低系统功耗的一种方法是对高速数据转换器的电源进行优化。数据转换器设计和工艺技术的一些最新进展，让许多新型ADC可以直接由开关电源来驱动，从而达到最大化功效的目的。系统设计人员们

2、习惯在开关稳压器和ADC之间使用一些低噪、低压降稳压器(LDO)，以清除输出噪声和开关频率谐波（请参见图1）。但是，这种干净的电源设计的代价是高功耗，因为LDO要求压降余量来维持正常的运行。最低压降一般为200到500mV，但在一些系统中其可以高达1到2V（例如，ADC的3.3-V电压轨产生自一个使用LDO的5V开关电源时）。图1从传统电源转到最大功效电源就一个要求3.3-V电压轨的数据转换器而言，300mV的LDO压降增加约10%的ADC功耗。这种效应在数据转换器中得到放大，因为它具有更小的工艺节点和更低的电源电压。例如，1.8V

3、时，相同300-mV压降增加约17%（300mV/1.8V）的ADC功耗。因此，将该链的低噪声LDO去除可以产生巨大的节能效果。去除LDO还可以降低设计的板级空间、热量以及成本。本文阐述了包括超高性能16位ADC在内的一些TI高速ADC可在ADC性能无明显降低的条件下直接通过开关稳压器驱动。为了阐述的方便，我们对两款不同的数据转换器（一款使用高性能BiCOM技术（TI的ADS5483），另一款使用低功耗CMOS技术（TI的ADS6148）进行了开关电源噪声敏感性研究。本文的其他部分对所得结果进行了一一介绍。BiCOM技术—ADS54

4、83这种工艺技术实现了宽输入频率范围下的高信噪比(SNR)和高无杂散动态范围(SFDR)。BiCOM转换器一般还具有许多片上去耦电容和非常不错的电源抑制比(PSRR)。我们对ADS5483评估板(ADS5483EVM)进行了电源研究，其具有一个使用TITPS5420开关稳压器(Sw_Reg)的板上电源；一个低噪声LDO（TI的TPS79501）；以及一个外部实验室电源使用选项。我们使用图2所示不同结构实施了5次实验，旨在确定ADS5483通过一个开关稳压器直接运行时出现的性能降低情况。由于ADS5483模拟5-V电源到目前为止表现出

5、对电源噪声的最大敏感性，因此该研究忽略了3.3-V电源的噪声。ADS5483产品说明书中列出的PSRR支持这种情况：两个3.3-V电源的PSRR至少高出5-V模拟电源20dB。图2使用ADS5483EVM的5次实验电源结构5次实验的结构变化配置如下：实验1—一个5-V实验室电源直接连接到5-V模拟输入，同时绕过开关稳压器(TPS5420)和低噪声LDO(TPS79501)。使用一个板上LDO（TI的TPS79633）生成ADS5483低敏感度3.3-V模拟及数字电源的3.3-V电压轨。实验2—将一个10-V实验室电源连接到TPS54

6、20降压稳压器，其使用一个5.3-V输出。这样可为TPS79501提供一个300-mV压降，从而生成一个5-V电压轨。实验3—使用TPS5420，从10-V实验室电源生成一个5-V电压轨。本实验中，我们绕过了TPS79501低噪声LDO。图3a表明，如“实验2”连接的LDO较好地减少了开关稳压器的5.3-V输出峰值电压。但是，图3b表明5-VVDDA电压轨铁氧体磁珠之后输出没有巨大的差异。图3实验2（使用LDO）和实验3（无LDO）的示波器截图对比实验4—本实验配置方法与“实验3”相同，但去除了TPS5420输出的RC缓冲器电路，其

7、会引起高振铃和大开关频率杂散。我们可在图4中清楚的观察到RC缓冲器电路的影响。去除LDO并没有在铁氧体磁珠之后表现出明显的差异，而去除RC缓冲器电路则会导致更大的清洁5-VVDDA电压轨电压峰值进入ADC。我们将在稍后详细研究RC缓冲器电路的影响。图45-VVDDA电压轨的电源噪声实验5—将一个8-Ω功率电阻连接到5-V电源，模拟如现场可编程门阵列(FPGA)等额外负载。TPS5420必须提供更高的输出电流，并更努力地驱动其内部开关，从而产生更大的输出杂散。通过重复进行“实验2”、“实验3”和“实验4”可以测试这种配置。测量结果我们

8、利用输入信号频率扫描对比了5个实验。先使用135MSPS采样速率然后使用80MSPS采样速率对三个ADS5483EVM实施了这种实验，均没有观察到巨大的性能差异。在使用135-MSPS采样速率情况下，SNR和SFDR的频率扫描如图5所