高速ADC的电源设计.pdf

高速 ADC 的电源设计 作者：Thomas Neu，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 时，相同 300-mV 压降增加约 17% （300 mV/1.8 V ）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—ADS5483 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 (PS ) 。我们对 ADS5483 评估板 (ADS5483EVM) 进行了电源研究，其 具有一个使用 TI TPS5420 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 PS 支持这种情况：两个 3.3-V 电源的 PS 至少高出 5-V 模拟电源 20 dB 。 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 TPS