掌握模数转换器的电源设计技巧

问题：开关电源（DC/DC转换器）真的会降低ADC的性能吗？回答：工程师一般认为开关电源会降低ADC的性能，因此通常愿意选用低压差（LDO）线性稳压器，而不使用开关稳压器，但这种认识并非完全正确。LDO具有较低的纹波和噪声指标，但最近的研究表明，高效的开关稳压器也可用于一些转换器设计中，前提是设计师对电路拓扑有很好的理解，运用一些实用技巧，同时采取一些必要的防范措施。首先是选择转换器，然后选择正确的开关稳压器，并不是任何开关稳压器都可以使用。从数据手册上查阅开关稳压器的噪声和纹波指标，以及开关频率。典型的开关稳压器在100kHz带宽范围内大概有10μV rms的噪声。假设它们都是白噪声，那么有关频带内的噪声密度相当于31.6 nVrms/rt-Hz。其次，要查阅转换器的电源抑制（PSR）指标，以了解由于电源噪声引起的转换器性能下降的关键点。大多数高速转换器在第一奈奎斯特区内的PSR典型值为60dB（1mV/V）。在使用具有2Vpp满量程输入范围、78dB信噪比和125 MSPS采样速率的16位ADC时，本底噪声为11.26 nVrms。不管噪声源自何处，都必须低于这个值，这样才能不影响转换器的性能。在第一奈奎斯特区fs/2，转换器噪声等于 89.02μVrms（11.26 nVrms/rt-Hz）×sqrt（125 MHz/2）。虽然开关稳压器的噪声（31.6 nv/rt-Hz）高过这个转换器噪声的两倍，但注意转换器还有60dB的PSRR，它能将开关稳压器的噪声抑制到31.6 pV/rt-Hz （31.6 nV/rt-Hz × 1 mV/V）。这个噪声比转换器的本底噪声要小得多，因此开关稳压器的噪声不会降低转换器性能。另外，电源滤波、接地和布线也很重要。在ADC电源引脚处增加0.1 μF电容，可以使噪声降低到比上面的计算结果还要小。在电源输出端增加一个简单的LC滤波器也可行，但级联的滤波器能将开关稳压器噪声抑制得更多。众所周知，滤波器每增加一级就能获得约20dB/10倍频程的噪声抑制效果。紧密叠层的电源和地平面（间距