电源

<strong>Ryan Curran 应用工程师， ADI公司</strong>

逐次逼近型模数转换器又称SAR ADC，是通用级模数转换器，可产生连续模拟波形的数字离散时间表示。它们通过电荷再分配过程完成这一任务；在此过程中，已知的定量电荷与ADC输入端获取的电荷量相比较。期间针对所有可能的数字代码（量化电平）执行二进制搜索，最终结果收敛至某一代码，使内部集成的比较器返回平衡状态。0和1的组合表示电路产生的决策序列，使系统回到均衡状态。

SAR ADC是通用、易用、完全异步的数据转换器。但是，决定特定应用使用哪种转换器时，仍需做出一些选择。本文具体讨论ADI SAR ADC产品组合提供的模拟输入信号类型。但应注意，尽管本文关注的是SAR ADC，输入类型通用于所有ADC架构。根据所考虑电路的信号源类型或总体目标，需要做出特定设计决策和权衡。最简单的解决方案是匹配ADC输入类型与信号源输出配置。不过，源信号可能需要改变信号类型的调理，或者存在成本、功率或面积考虑因素，影响模拟输入类型决策。我们来了解一下不同的可用模拟输入类型。

<strong>单端</strong>

在所有器件特性中，噪声可能是一个特别具有挑战性、难以掌握的设计课题。这些挑战常常导致一些道听途说的设计规则，并且开发中要反复试错。本文将解决相位噪声问题，目标是通过量化分析来阐明如何围绕高速数模转换器中的相位噪声贡献进行设计。本文旨在获得一种"一次成功"的设计方法，即设计不多不少，刚好满足相位噪声要求。

从一块白板开始，首先将DAC视作一个模块。噪声可能来自内部，因为任何实际元器件都会产生某种噪声；也可能来自外部噪声源。外部噪声源可通过DAC的任何外部的任何外部任意连接，包括电源、时钟和数字接口等，进入其中。图1显示了这些可能性。下面将对每一种可能的噪声嫌疑对象分别进行研究，以了解其重要性。

射频（RF）和微波放大器在特定偏置条件下可提供最佳性能。偏置点所确定的静态电流会影响线性度和效率等关健性能指标。虽然某些放大器是自偏置，但许多器件需要外部偏置并使用多个电源，这些电源的时序需要加以适当控制以使器件安全工作。

接下来，我们主要来说说偏置时序控制要求。

<strong>电源时序控制</strong>

使用外部偏置放大器时，电源时序控制非常重要，原因如下：

* 不遵守正确的电源时序会影响器件的稳定性。超过击穿电压可能会导致器件立即失效。当超过边界条件的状况多次发生且系统承受压力时，长期可靠性会降低。此外，连续违反时序控制模式会损坏片内保护电路并产生长期损害，导致现场操作故障。

* 不仅在上电和掉电期间，而且在常规工作期间优化偏置电平，可以改善射频放大器的性能，具体情况取决于配置和应用要求。对于某些应用，可以改变放大器的射频性能以适应不同的现场情况。例如，在雨天可以提高输出功率以扩宽覆盖范围，在晴天可以降低输出功率。放大器的外部栅压控制可以实现这些功能。

ADI拥有各种各样的射频放大器，许多射频放大器是基于耗尽型高电子迁移率（pHEMT）技术。该工艺中使用的晶体管通常需要电源来为漏极引脚和栅极引脚供电。此静态漏极电流与栅极电压相关。

<strong>简介</strong>

逐次逼近型模数转换器（因其逐次逼近型寄存器而称为SARADC）广泛运用于要求最高18 位分辨率和最高5 MSPS 速率的应用中。其优势包括尺寸小、功耗低、无流水线延迟和易用。

主机处理器可以通过多种串行和并行接口（如SPI、I2C 和LVDS）访问或控制ADC。本文将讨论打造可靠、完整数字接口的设计技术，包括数字电源电平和序列、启动期间的I/O 状态、接口时序、信号质量以及数字活动导致的误差。

<strong>数字I/O 电源电平和序列</strong>

多数SAR ADC 都提供独立的数字I/O 电源输入（VIO 或 VDRIVEVDRIVE），后者决定接口的工作电压和逻辑兼容性。此引脚应与主机接口（MCU、DSP 或FPGA）电源具有相同的电压。数字输入一般应在DGND − 0.3 V与 VIO+ 0.3 V 之间，以避免违反绝对最大额定值。须在 VIO引脚与DGND 之间连接走线短的去耦电容。

<strong>Maithil Pachchigar ADI公司</strong>

<strong>简介</strong>

在很多应用中，模拟前端接收单端或差分信号，并执行所需的增益或衰减、抗混叠滤波及电平转换，之后在满量程电平下驱动ADC输入端。本文探讨精密数据采集信号链的噪声分析，并深入研究这种信号链的总噪声贡献。

如图1所示，低功耗、低噪声、全差分放大器ADA4940-1驱动差分输入、18位、1 MSPS PulSAR® ADC AD7982，同时低噪声精密5 V基准电压源ADR435用来提供ADC所需的5 V电源。此信号链无需额外驱动器级和基准电压缓冲器，简化了模拟信号调理，可节省电路板空间和成本。一个单极点截止频率2.7 MHz RC(22 Ω，2.7 nF)低通滤波器放在ADC驱动器输出和ADC输入之间，有助于限制ADC输入端噪声，并减少来自逐次逼近型(SAR) ADC输入端容性DAC的反冲。

<strong>Σ-Δ概述</strong>

过去几年间，Σ-Δ架构由于在混合信号VLSI工艺中有助于实现高分辨率ADC，因而日益受到青睐。然而，直到最近，商业化生产这些器件所需的工艺技术尚未问世。现在，1微米及更小的CMOS几何结构的制造条件已经成熟，因此Σ-Δ转换器在某些类型的应用中将变得更为常见，特别是在单芯片上集成ADC、DAC和DSP功能的混合信号IC中，Σ-Δ转换器的使用将尤为普遍。

从概念上讲，Σ-Δ转换器的数字特性多于模拟特性，但这并未降低Σ-Δ型ADC的模拟部分的重要性。五阶Σ-Δ调制器的设计（例如在双通道18位ADC AD1879中）绝不是轻而易举的小事一桩，数字滤波器同样如此。Σ-Δ转换器本质上是一种过采样转换器，尽管过采样只是成就整体性能的多种技术中的一种。总的说来，Σ-Δ转换器是利用分辨率非常低（1位）的ADC以极高采样速率对模拟信号进行数字化处理。但通过将过采样技术与噪声整形和数字滤波技术结合使用，使有效分辨率得以提高。然后，通过抽取过程降低ADC输出端的有效采样速率。1位量化器和DAC的线性度使Σ-Δ型ADC表现出极佳的微分和积分线性度，并且不必像其它ADC架构那样需要调整。

<strong>Rob Reeder 系统应用工程师 ADI公司</strong>

在第一部分中，我们讨论了一般静态模数转换器的不精确性误差和涉及带宽的ADC不精确性误差。希望这些内容有助于加深读者对ADC误差以及这些误差如何影响信号链的理解。基于此，要记住的是，并非所有组件都是一样的——有源和无源器件均是如此，因此，无论系统最终选择了什么器件，模拟信号链中都会存在误差。

本文将描述精度、分辨率和动态范围之间的差异。本文还将揭示信号链内部的不精确性是如何累积并导致误差的。定义新设计的系统参数时，这些内容对于理解如何正确指定或选择一个ADC有着重要作用。

<strong>精度、分辨率与动态范围</strong>

许多转换器用户似乎在互换使用精度和分辨率这两个术语，但这种做法是错误的。精度和分辨率这两个术语并不相等，但是具有相关性，所以，不应互换使用。可以把精度和分辨率视为堂兄妹，但不是双胞胎。

精度就是误差，或者说测量值偏离真值的幅度。精度误差可以称为灵敏度错误。分辨率就是测得值的表示或显示精细度。即使系统的分辨率为12位，也并不意味着它能测量精度为12位的值。

<strong>Doug Ito ADI公司产品应用工程师 </strong>

根据定义，高速模数转换器(ADC)是对模拟信号进行采样的器件，因此必定有采样时钟输入。某些使用ADC的系统设计师观测到，从初始施加采样时钟的时间算起，启动要比预期慢。出人意料的是，造成此延迟的原因常常是外部施加的ADC采样时钟的启动极性错误。

许多高速ADC的采样时钟输入具有如下特性：

* 差分
* 内部偏置到设定的输入共模电压(VCM)
* 针对交流耦合时钟源而设计

本讨论适用于时钟缓冲器具有上述特性的转换器。差分ADC时钟输入缓冲器常常有一个设计好的切换阈值偏移。如果没有这种偏移，切换阈值将发生在0 V差分。如果无偏移的时钟缓冲器被解除驱动且交流耦合，则器件内部会将时钟输入（CLK+和CLK−）拉至共模电压。这种情况下，CLK+上的直流电压和CLK−上的电压将相同，意味着差分电压等于0 V。

在理想世界里，若输入上无信号，则时钟缓冲器不会切换。但在现实世界里，电子系统中总是存在一些噪声。在输入切换阈值为0 V的假想情况中，输入上的任何噪声都会跨过时钟缓冲器的切换阈值，引发意外切换。

<strong>Derrick Hartmann 应用工程师 ADI公司</strong>

环路供电变送器已经从纯粹的模拟信号调理器发展为高度灵活的智能变送器，但所选择的设计方法仍取决于系统的性能、功能和成本要求。本文提供了三种不同的发射器参考设计。在环路供电设计中，4 mA到20 mA的环路需要同时提供电源和数据，并且系统回路的工作电流必须小于4 mA。事实上，小于或等于3.6 mA的电流是比较典型的目标值，主要用于环路属于低报警电流。设计中的其它关键因素还需要考虑目标性能、功能、尺寸和成本。

我们讨论的第一个电路(图1)采用纯模拟信号链。

<strong>作者：Tim Watkins，核心应用部门，ADI公司</strong>

<strong>内容提要</strong>

有源和无源元件的选择对电源总体性能影响巨大。效率、产生的热量、物理尺寸、输出功率和成本都会在某种程度上依赖于所选的外部元件。本文描述了在一个典型SMPS设计中，对于下列外部无源和有源器件设计人员需要知道的最重要的规格。这些器件包括：电阻、电容、电感、二极管和MOSFET。

对于效率至关重要的多供电轨应用，开关模式电源(SMPS)已成为事实上的标准。在要求长电池续航时间的电池供电和便携式应用中尤其如此。

电源链设计有多种方式。可以使用降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器以及其他几种拓扑结构。这些结构的共同点是需要表现出色的外部有源和无源元件才能使系统以最佳状态工作。

某些电源IC解决方案可能只需要三个外部元件，如ADP2108降压调节器。因为它内置电源开关，所以这种开关模式稳压器只需要三个外部元件：一个输入电容、一个输出电容和一个电感。外部元件的上限几乎是无限的，具体取决于拓扑结构和电源要求。面对设计中的成本、性能和系统可靠性问题，设计人员必须知道哪些参数最为重要，以便选择合适的元件。