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開關電源(DC/DC轉換器)會降低ADC的性能嗎?

鉅大LARGE  |  點擊量:700次  |  2020年05月20日  

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10μVrms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31.6nVrms/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125MSpS采樣速率的16位ADC時,本底噪聲為11.26nVrms。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(11.26nVrms/rt-Hz)×sqrt(125MHz/2)。雖然開關穩壓器的噪聲(31.6nv/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31.6pV/rt-Hz(31.6nV/rt-Hz×1mV/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電源引腳處新增0.1μF電容,可以使噪聲降低到比上面的計算結果還要小。在電源輸出端新增一個簡單的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,濾波器每新增一級就能獲得約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。


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