采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的現(xiàn)代電子系統(tǒng)需要更低的功耗和更高的性能。本文介紹線性電源和開關(guān)電源之間的差異，并演示將高性能ADC與高效DC-DC轉(zhuǎn)換器相結(jié)合可以顯著降低系統(tǒng)功耗，而不會降低其性能。

系統(tǒng)設(shè)計人員被要求降低總功耗，以減少對環(huán)境的影響，同時降低資本和運營成本。他們還被要求增加電路密度，以便電子系統(tǒng)可以推入更小的外形尺寸并在更惡劣的環(huán)境中運行。不幸的是，將高功率解決方案集成到這些系統(tǒng)中會導(dǎo)致消除多余熱量的嚴(yán)重困難，并使其他目標(biāo)無法實現(xiàn)。

傳統(tǒng)上，ADC制造商建議使用線性穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)換器提供清潔電源。線性穩(wěn)壓器可抑制系統(tǒng)電源中通常存在的低頻噪聲。此外，鐵氧體磁珠和去耦電容器的組合用于衰減高頻噪聲。這種技術(shù)是有效的，但它限制了效率，特別是在線性穩(wěn)壓器必須從電源軌調(diào)節(jié)到比其輸出電壓高幾伏的系統(tǒng)中。LDO 通常提供 30% 至 50% 的效率，而 DC-DC 穩(wěn)壓器的效率可能大于 90%。圖1顯示了降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器ADI公司ADP2114的典型效率。

圖1.ADP2114開關(guān)穩(wěn)壓器的典型效率。

DC-DC轉(zhuǎn)換器雖然比LDO效率高得多，但傳統(tǒng)上被認(rèn)為噪聲太大，無法直接為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器供電，而不會顯著降低性能。該噪聲至少有兩個來源：通過電源紋波直接耦合到轉(zhuǎn)換器的噪聲和磁耦合效應(yīng)引起的噪聲。紋波在ADC的輸出頻譜中可能表現(xiàn)為不同的音調(diào)（或雜散），或?qū)е卤镜自肼暤恼w升高。ADC對這些不同音調(diào)的敏感性可以表征，通常在轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中指定為電源抑制比（PSRR）。然而，PSRR測量并不能表征寬帶對轉(zhuǎn)換器本底噪聲的影響。開關(guān)電源中產(chǎn)生的高電流通常會導(dǎo)致強磁場，這些磁場會耦合到電路板上的其他磁性元件中，包括匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感器和用于耦合模擬和時鐘信號的變壓器。必須采用謹(jǐn)慎的電路板布局技術(shù)，以防止這些磁場耦合到關(guān)鍵信號中。

節(jié)能（效率優(yōu)勢）

雖然半導(dǎo)體公司繼續(xù)推出更高效率的ADC、DAC和放大器，但與用DC-DC穩(wěn)壓器取代LDO可以獲得的整體系統(tǒng)功率效率相比，這些改進(jìn)很小。考慮一個線性電路，采用100.330 V電源需要3 mA或3 mW。典型LDO將5 V穩(wěn)壓至3.3 V，總功耗為500 mW，而只有330 mW可提供有用的功能。原材料供應(yīng)量必須比實際需要大51%，這會導(dǎo)致能源浪費和成本增加。相比之下，考慮效率為90%的DC-DC穩(wěn)壓器。5 V電源的總需求為74 mA，這是一個明顯較小的要求，隨著時間的推移，功耗和成本都會降低。

在無線基站等系統(tǒng)中，電源通常來自單個大電流電源。通常，該功率在到達(dá)線性和混合信號分量之前會通過許多不同的降壓級進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些降壓級中的每一個，雖然它們可能非常有效，但會導(dǎo)致一些功率浪費。下圖顯示了一個典型系統(tǒng)，其中電源從12 V電源軌向下調(diào)節(jié)。為ADC和其他模擬元件供電可能涉及三個或更多降壓級。最后一級通常是LDO，通常是降壓級中效率最低的。即使是效率達(dá)到90%的高效DC-DC穩(wěn)壓器，在級聯(lián)兩次時也只能產(chǎn)生約81%的效率，如圖2所示。當(dāng)LDO必須遵循最終監(jiān)管階段時，情況會變得更糟。

圖2.典型系統(tǒng)級電源。

DC-DC電源技術(shù)的最新改進(jìn)和更高的開關(guān)頻率使ADC能夠直接從DC-DC電源工作，而不會降低性能并顯著提高效率。圖3所示為消除LDO的典型降壓電路。

圖3.減少系統(tǒng)級電源。

此外，許多系統(tǒng)為每個ADC采用單獨的LDO。單獨的LDO用于在不同ADC之間提供噪聲隔離，并降低每個LDO的功耗。這種分離分散了LDO產(chǎn)生的熱量，并允許在小型封裝中使用LDO。由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率更高，一個開關(guān)穩(wěn)壓器可以為多個ADC和其他線性元件供電，而不會像使用單個大型LDO那樣產(chǎn)生過多的功耗和發(fā)熱。在開關(guān)電源輸出端使用濾波鐵氧體磁珠可在共享相同電源軌的元件之間實現(xiàn)隔離。使用開關(guān)穩(wěn)壓器可減少系統(tǒng)中對穩(wěn)壓器的需求，通過消除冗余LDO和相關(guān)電路，顯著節(jié)省功耗并降低電路板成本。

來自實驗室

ADI公司AD16等125位、9268 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)極低噪聲，信噪比（SNR）規(guī)格為78 dB。–152 dBm/Hz 的低本底噪聲使其成為使用開關(guān)電源進(jìn)行評估的理想選擇。DC-DC轉(zhuǎn)換器貢獻(xiàn)的任何額外噪聲或雜散成分在轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜中都很容易看到。該轉(zhuǎn)換器與ADI公司ADP2114 PWM降壓穩(wěn)壓器配對。這款雙輸出降壓型穩(wěn)壓器的效率高達(dá) 95%，工作在高開關(guān)頻率，噪聲低。

一項實驗室研究將ADC的性能與線性穩(wěn)壓器進(jìn)行了比較;與。;其;性能;什么時候;用;一個;開關(guān)穩(wěn)壓器。這些;實驗;是;執(zhí)行;用;轉(zhuǎn)換器的客戶評估板。該轉(zhuǎn)換器有兩個輸入電源：AVDD為模擬部分供電，而DRVDD為數(shù)字和輸出部分供電。為了進(jìn)行比較，該轉(zhuǎn)換器最初使用兩個線性穩(wěn)壓器（ADI公司ADP1706）進(jìn)行評估，這兩個線性穩(wěn)壓器同時提供AVDD和DRVDD電壓。此測試的設(shè)置如圖 4 所示。然后用開關(guān)穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)換器供電，如圖5所示。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出之一提供 AVDD;第二個輸出提供 DRVDD。

在這兩種設(shè)置中，模擬輸入源都是帶有K&L帶通濾波器的Rhode&Schwartz SMA-100。模擬輸入通過雙巴倫輸入網(wǎng)絡(luò)提供，該網(wǎng)絡(luò)將信號發(fā)生器的單端輸出轉(zhuǎn)換為ADC的差分輸入。采樣時鐘源是一個低抖動Wenzel振蕩器，該振蕩器也通過巴倫電路供電，用于單端至差分轉(zhuǎn)換。對于兩次測量，輸入電源軌（穩(wěn)壓器之前）均設(shè)置為3.6 V。

圖4.使用ADP1708 LDO進(jìn)行線性電源測量的框圖

圖5.使用ADP2114開關(guān)穩(wěn)壓器測量開關(guān)電源的框圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能結(jié)果

在每種電源配置下測量轉(zhuǎn)換器性能，以確定使用開關(guān)電源時是否出現(xiàn)任何性能下降。SNR和SFDR是在多個輸入頻率上測量的;表1總結(jié)的結(jié)果顯示，使用線性穩(wěn)壓器與使用開關(guān)電源時，SNR或SFDR沒有顯著差異。

開關(guān)穩(wěn)壓器可以異步工作，也可以與轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘同步，而不會影響轉(zhuǎn)換器的性能。同步允許在可能有利的應(yīng)用程序中提供額外的自由度。

FFT 圖

圖6和圖7顯示了采用線性電源與開關(guān)電源的AD9268模擬輸入頻率為70 MHz的FFT。

圖6.70兆赫 A在采用ADP1708線性電源。

圖7.70兆赫 A在采用ADP2114開關(guān)電源。

效率結(jié)果

表2顯示了每種電源解決方案的實測效率。該開關(guān)穩(wěn)壓器采用3.6 V輸入電壓，效率提高35%，節(jié)省640 mW。這種節(jié)省適用于單個轉(zhuǎn)換器，在采用多個ADC的系統(tǒng)中將大幅放大。

熱圖像

下面的圖8和圖9顯示了使用LDO電源與ADP2114電源時電路板電源部分產(chǎn)生的熱量差異。相同的縮放比例應(yīng)用于兩個圖像。測量點SP01、SP02和SP03顯示了線性穩(wěn)壓器的溫度，如圖8所示。圖06中的SP9顯示了ADP2114的溫度，比圖10所示的線性穩(wěn)壓器低15°C至8°C。SP04顯示了AD9268的溫度，兩張圖像的溫度相似。另請注意，在圖8中，整體背景溫度較高，串聯(lián)阻斷二極管（未標(biāo)記）處理的熱負(fù)載要高得多。

電路詳情

圖10顯示了用于開關(guān)穩(wěn)壓器的詳細(xì)電路圖，該穩(wěn)壓器配置為在強制PWM模式下工作，通道設(shè)置為2 A獨立輸出。通過在FREQ引腳和GND之間放置一個1 kΩ電阻，穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率設(shè)置為2.27 MHz。除所示電路外，開關(guān)穩(wěn)壓器和ADC之間還包括一個額外的鐵氧體磁珠，標(biāo)準(zhǔn)旁路電容放置在ADC電源引腳附近。該設(shè)計在ADP220的輸出端實現(xiàn)了6 μV開關(guān)紋波和小于2114 μV的高頻噪聲。AD9268附近的附加鐵氧體磁珠和旁路可將ADC電源引腳的噪聲降至300 nV，噪聲小于3 μV。

還提供了物料清單和布局信息。在布局中注意，開關(guān)電感L101和L102與ADC和信號路徑元件位于電路板的另一側(cè)。這種放置有助于最大限度地減少這些電感與電路板頂部元件之間的任何潛在耦合，特別是信號和時鐘路徑中的巴倫。在帶有開關(guān)轉(zhuǎn)換器的任何布局中，都應(yīng)注意避免磁場或電場耦合。

圖8.采用線性電源的AD9268評估板的熱圖像。

圖9.采用ADP9268電源供電的AD2114評估板的熱圖像。

圖 10.ADP2114電路配置。

圖 11.PCB布局顯示ADP2114和AD9268的相對位置（注意開關(guān)電感位于PCB的另一側(cè)）。

結(jié)論

本文演示了模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以直接由開關(guān)電源供電，如果遵循仔細(xì)的設(shè)計實踐，而不會降低性能。與ADP2114線性電源供電相比，由ADP1708開關(guān)電源供電時，轉(zhuǎn)換器的性能沒有下降。使用開關(guān)電源可以將電源效率提高 30% 至 40%，并顯著降低整體功耗 - 甚至比簡單地選擇低功率轉(zhuǎn)換器還要多。在許多系統(tǒng)中，這些器件是連續(xù)運行的，因此采用開關(guān)電源可顯著降低運營成本，而不會降低性能。

審核編輯：郭婷