系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師常被要求降低總體功耗，以減少對(duì)我們環(huán)境的影響，同時(shí)降低投資和運(yùn)營(yíng)成本。他們還要提高電路密度，以便實(shí)現(xiàn)外形尺寸更小的電子系統(tǒng)，并且能在更嚴(yán)苛的環(huán)境下工作。遺憾的是，若將高功耗解決方法整合到這些系統(tǒng)中，會(huì)帶來(lái)極大的散熱問(wèn)題，而使得其他目標(biāo)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)上，ADC制造商一般推薦采用線性穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)換器供應(yīng)干凈的電源。線性穩(wěn)壓器能夠抑制系統(tǒng)電源中經(jīng)常出現(xiàn)的低頻噪聲。此外，鐵氧體磁珠和去耦電容相結(jié)合的方法可用來(lái)減少高頻噪聲。這種方法雖然有效，但卻限制了效率，特別是在線性穩(wěn)壓器必須從高出其輸出電壓幾伏的電源軌進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中。低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的效率通常為30%～50%，而DC/DC穩(wěn)壓器的效率則高達(dá)90%。圖1顯示降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器如ADI公司的ADp2114的典型效率。

圖1ADp2114開關(guān)穩(wěn)壓器的典型效率

DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率雖然比LDO高很多，但DC/DC轉(zhuǎn)換器在直接為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，往往由于噪聲太大而會(huì)導(dǎo)致性能大幅下降。這種噪聲至少有兩種來(lái)源：通過(guò)電源紋波直接進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的噪聲，以及由于磁耦合效應(yīng)引起的噪聲。電源紋波在ADC的輸出頻譜中以不同的音調(diào)（或者雜散）出現(xiàn)，或者導(dǎo)致底噪全面提高。ADC對(duì)這些不同音調(diào)的易感性可以進(jìn)行表征，通常在轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中以電源抑制比（pSRR）表示。但是pSRR無(wú)法表示對(duì)轉(zhuǎn)換器底噪的寬帶效應(yīng)。開關(guān)電源中出現(xiàn)的大電流通常會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)與電路板上的其他磁性元件出現(xiàn)耦合，包括匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感，以及用于耦合模擬和時(shí)鐘信號(hào)的變壓器等。進(jìn)行電路板布線時(shí)必須小心仔細(xì)，以防這些磁場(chǎng)與關(guān)鍵信號(hào)耦合。

省電（效率優(yōu)勢(shì)）

雖然半導(dǎo)體公司一直在推出更高效率的ADC、DAC和放大器，但是與用DC/DC穩(wěn)壓器替代LDO所獲得的總系統(tǒng)功效相比，這些改進(jìn)實(shí)在是微乎其微。這里以一個(gè)采用3.3V電源供應(yīng)100mA電流或者330mW功率的線性電路為例，采用將5V降壓調(diào)節(jié)至3.3V的典型LDO時(shí)，總功耗將為500mW，而僅有330mW供應(yīng)有用功。原始電源必須比實(shí)際所需的電源大51%，這樣既浪費(fèi)能源又新增了成本。通過(guò)比較，不妨考慮效率為90%的DC/DC穩(wěn)壓器。5V電源的總電流要求將為74mA（這是一個(gè)更低得多的要求），可同時(shí)降低了功耗和成本。

在無(wú)線基站等系統(tǒng)中，電源通常由單個(gè)高電流電源供應(yīng)。該電源通常通過(guò)大量不同的降壓級(jí)向下降壓調(diào)節(jié)，然后再到達(dá)線性和混合信號(hào)元器件。盡管每個(gè)降壓級(jí)的效率都很高，但是它們也會(huì)浪費(fèi)相當(dāng)多的功率。圖2顯示了一個(gè)電源從12V電源軌進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)的典型系統(tǒng)，其使用了三個(gè)或更多降壓級(jí)為ADC和其他模擬器件供應(yīng)電源。最后一級(jí)一般是LDO，通常，這一級(jí)的效率在降壓級(jí)中最低。當(dāng)按下圖所示級(jí)聯(lián)兩次之后，即使是效率為90%的高效率DC/DC穩(wěn)壓器也僅能達(dá)到81%的效率，而最后的穩(wěn)壓級(jí)必須是LDO時(shí)，效率則會(huì)更低。

圖2典型的系統(tǒng)級(jí)電源

隨著DC/DC電源技術(shù)的進(jìn)步以及更高開關(guān)頻率的發(fā)展，DC/DC電源實(shí)現(xiàn)了在不造成性能損失的情況下，以大幅提高的效率直接為ADC供電。圖3顯示了省去LDO的典型降壓電路。

圖3簡(jiǎn)化的系統(tǒng)級(jí)電源

此外，許多系統(tǒng)為每個(gè)ADC采用單獨(dú)的LDO。單獨(dú)的LDO用于供應(yīng)不同ADC之間的噪聲隔離，并降低每個(gè)LDO的功耗。這種單獨(dú)供應(yīng)的方式分散了LDO出現(xiàn)的熱量，并且可使用小封裝形式的LDO。由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有更高的效率，因此一個(gè)開關(guān)可為多個(gè)ADC和其他線性元件供電，而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多功耗和熱量，而采用單個(gè)大LDO則會(huì)發(fā)生這種情況。在開關(guān)電源的輸出端采用濾波鐵氧體磁珠可為采用相同電源軌的元件供應(yīng)隔離。采用開關(guān)電源減少了系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)壓器的需求，由于省去了多余的LDO及其相關(guān)電路，因而可明顯實(shí)現(xiàn)省電以及降低電路板成本。

實(shí)驗(yàn)室電路

諸如ADI公司的AD9268等16位、125MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)極低的噪聲以及78dB的信噪比（SNR）指標(biāo)。極低的–152dBm/Hz底噪使其成為*估開關(guān)電源的理想之選。DC/DC轉(zhuǎn)換器引起的額外噪聲或雜散量可以很容易在轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜中顯示出來(lái)。該轉(zhuǎn)換器與ADIADp2114pWM降壓型穩(wěn)壓器是配套產(chǎn)品。這款雙路輸出降壓型穩(wěn)壓器的效率高達(dá)95%，以高開關(guān)頻率工作，并且具備低噪聲特性。

一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室的研究對(duì)采用線性穩(wěn)壓器與采用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)的ADC性能進(jìn)行了比較。這些實(shí)驗(yàn)是采用轉(zhuǎn)換器的用戶評(píng)估板進(jìn)行的。轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸入電源：AVDD為模擬部分供電，DRVDD為數(shù)字部分和輸出部分供電。為了進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換器最初采用兩個(gè)線性穩(wěn)壓器（ADI公司的ADp1706）進(jìn)行評(píng)估，分別供應(yīng)AVDD和DRVDD電壓。該測(cè)試的設(shè)置如圖4所示。然后轉(zhuǎn)換器采用一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器供電，如圖5所示。其中，一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出供應(yīng)給AVDD，另一個(gè)輸出供應(yīng)給DRVDD。

圖4采用ADp1708LDO進(jìn)行線性電源測(cè)量的框圖

圖5采用ADp2114開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行開關(guān)電源測(cè)量的框圖

在這兩種設(shè)置中，模擬輸入源都采用羅德與施瓦茨公司（R&S）的SMA-100信號(hào)發(fā)生器和K&L帶通濾波器。模擬輸入通過(guò)一個(gè)雙巴倫輸入網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)，將信號(hào)發(fā)生器的單端輸出轉(zhuǎn)換至ADC的差分輸入。采樣時(shí)鐘源為低抖動(dòng)Wenzel振蕩器，也通過(guò)用于單端-差分轉(zhuǎn)換的巴倫電路供電。兩次測(cè)量的輸入電源軌（在穩(wěn)壓器前面）均設(shè)定為3.6V。

ADC性能測(cè)量結(jié)果

在每種電源配置情況下，轉(zhuǎn)換器的性能都進(jìn)行了測(cè)量，以確定采用開關(guān)電源時(shí)性能是否下降。SNR和SFDR（無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）則通過(guò)一組輸入頻率進(jìn)行測(cè)量；結(jié)果如表1所示，采用線性穩(wěn)壓器與采用開關(guān)電源相比，SNR或SFDR性能未出現(xiàn)大的變化。

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(shí)鐘同步而不影響轉(zhuǎn)換器性能。同步可在應(yīng)用中供應(yīng)更多靈活性，這在應(yīng)用中可能成為一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

FFT圖譜

圖6和圖7分別顯示了采用線性電源與采用開關(guān)電源時(shí)，模擬輸入頻率為70MHz的AD9268的FFT（快速傅立葉變換）圖譜。

圖6采用ADp1708線性電源的70MHz模擬輸入

圖7采用ADp2114開關(guān)電源的70MHz模擬輸入

效率測(cè)量結(jié)果

表2顯示每個(gè)電源解決方法所測(cè)得的效率。采用3.6V輸入電壓時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器將效率提高了35%，功耗節(jié)省了640mW。這里節(jié)省的功耗為單個(gè)轉(zhuǎn)換器節(jié)省的功耗，在采用多個(gè)ADC的系統(tǒng)中，節(jié)省的功耗還將顯著新增。

散熱圖像

圖8和圖9顯示了采用LDO電源與采用ADp2114時(shí)，電路板電源部分的散熱差別。兩個(gè)圖像采用相同的縮放比例。圖8中Sp01、Sp02和Sp03測(cè)量點(diǎn)顯示線性穩(wěn)壓器的溫度。圖9中的Sp06顯示ADp2114的溫度，它比圖9中顯示的線性穩(wěn)壓器的溫度低10～15℃。Sp04顯示AD9268的溫度，該溫度在兩個(gè)圖像中差不多。還需注意的是，圖9中的總背景溫度更高，一個(gè)串聯(lián)阻塞二極管（未標(biāo)注）正在處理更高的熱負(fù)載。

圖8采用線性電源的AD9268*估板的散熱圖像

圖9采用ADp2114電源的AD9268*估板的散熱圖像

電路圖詳解

圖10供應(yīng)了開關(guān)穩(wěn)壓器的詳細(xì)電路圖，該穩(wěn)壓器被配置成在強(qiáng)制pWM模式下工作，通道設(shè)置為2A單獨(dú)輸出。通過(guò)在FREQ引腳和GND之間放置一個(gè)27kΩ的電阻，穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率被設(shè)置為1.2MHz。除了圖中的電路之外，在開關(guān)和ADC之間還包含一個(gè)鐵氧體磁珠，ADC電源引腳附近放置了標(biāo)準(zhǔn)的旁路電容。該設(shè)計(jì)可達(dá)到220μV的開關(guān)紋波，在ADp2114輸出端的高頻噪聲低于6μV。AD9268附近加設(shè)的鐵氧體磁珠和旁路電容將開關(guān)紋波降至300nV，并將ADC電源引腳處的噪聲降至不到3μV。

圖10ADp2114電路配置

這里還供應(yīng)了材料清單和布線信息。請(qǐng)注意，在布局中，開關(guān)電感L101和L102位于ADC和信號(hào)通道元件電路板的背面。這種布局有助于將這些電感和電路板頂部的元器件（特別是信號(hào)和時(shí)鐘通道中的巴倫）之間的電壓耦合降至最小。在采用開關(guān)轉(zhuǎn)換器的布線中，需注意防止磁場(chǎng)或電場(chǎng)耦合。

圖11ADp2114和AD9268的相對(duì)位置

結(jié)語(yǔ)

本文論證了在仔細(xì)遵循設(shè)計(jì)實(shí)踐技巧的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以直接采用開關(guān)電源供電，而不會(huì)造成性能損失。與采用ADp1708線性電源相比，采用ADp2114開關(guān)電源供電時(shí)，轉(zhuǎn)換器的性能未出現(xiàn)下降。而采用開關(guān)電源可將電源效率提高30%～40%，并且能大幅降低總功耗（甚至超過(guò)簡(jiǎn)單地選擇較低功耗的轉(zhuǎn)換器）。在許多系統(tǒng)中，這些器件都要持續(xù)工作，因此采用開關(guān)電源可大幅降低運(yùn)營(yíng)成本，并且性能也不會(huì)出現(xiàn)下降。