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简介
为了要从高速模拟数字转换器获得最大的性能，必须要从直流电源供应器提供它干净的电力。具有噪声的电源供应器可能会导致SNR(信噪比)降低或是在ADC输出中出现不需要的寄生(spurious)内容。本文将会提供ADC电源域以及灵敏度的背景，并且提出对于高速ADC供应电力的基本指南。
模拟以及数字电源供应
大多数现今的高速模拟数字转换器都至少拥有两组的电源域：一组模拟电源(AVDD)以及一组数字与输出驱动器电源(DRVDD)。某些转换器具有额外的模拟电源，通常应该会被当成此处所讨论的附加AVDD电源来处理。在转换器当中的模拟电源与数字电源会被分隔开来，这是为了要避免数字交换噪声(特别是产自于输出驱动器的噪声)去干扰到组件中模拟端模拟取样的取样过程与处理。这种数字输出交换噪声会随着被取样的信号而具有显着的频率内容，而且假如让这种噪声回返至组件的模拟或是频率输入，或是透过电源供应器进入了芯片的模拟端，那就会轻易的将噪声以及寄生性能降级。
对于大部分的高速模拟数字转换器而言，建议对AVDD与DRVDD采用两组独立的电源。这两组电源需要充分的隔离，以避免任何位于DRVDD电源上的数字交换噪声进入转换器的AVDD电源。通常也会对AVDD与DRVDD电源使用个别独立的稳压器，然而假如在两组电源之间有进行充分的滤波，那么一般来说是有可能藉由一组电源而获得适当的性能。
ADC电源供应灵敏度－PSRR
有一个判定高速ADC对于电源供应器噪声的灵敏度的方法，就是强行将一组已知频率加诸于转换器的电源供应轨上，并且检视出现于转换器输出频谱中的生成音频，以检查其电源供应拒斥。检视输入信号相对于出现在频谱中信号的相关电力，以判定转换器在特定频率下的电源供应拒斥比(PSRR)。图1的图表显示了典型高速ADC的PSRR相对于频率的关系。在此图表中的数据乃是以装有旁路电容器、黏着于评估电路板上的部件所取得，这种方法显示出这些部件在典型的应用领域中对电源供应噪声会如何反应。请注意在这个状况中，转换器的PSRR在低频率下会高出许多，而当大约超过10MHz时则会显着的降低。
这个PSRR的信息能够让设计厂商判定允许出现于电源供应中涟波的位准，藉以避免此噪声扰乱转换器的性能。举例来说，假如一组电源在500kHz下具有5mV p-p的涟波，依据以下的PSRR图表，在此频率下的转换器会产生大约58dB的拒斥。因此以转换器在2Vp-p下的全量(full scale)来看，原本低于输入全量52dB的5mV信号将会藉由额外的58dB被衰减至转换器全量电源的110dB以下。利用此方式，设计厂商可以使用转换器的PSRR数据来判定转换器的电源供应在特定频率下的可容许涟波。因此假若转换器的电源在已知频率下会出现涟波的话，例如来自于上游交换式转换器，那么这种方法就可以用来决定是否需要额外的滤波需求，以便将此噪声衰减至可接受的位准。
这个分析是假设只有一组频率被提供给特定的电源供应。依据电源是如何的被切割以及其它组件由电源提供了什么电力，在电源中的噪声就会具有额外的频率内容。假如这就是所发生的状况，那么设计厂商就必须要
确保在电源供应处提供了适当的滤波功能，以便将此噪声予以衰减。请记得在其它耐奎斯特区域中所需ADC输入频带之外的噪声，可以被包含到所需频带当中，这是因为ADC输入的宽带基本性质所致。
线性稳压器的讨论
传统上，线性稳压器是被用来提供干净的电力给转换器的AVDD以及DRVDD轨。低漏失线性稳压器具有高达约1MHz的绝佳低频率噪声拒斥。典型LDO的控制回路带宽在此频率下会耗尽，而较高的频率则会以少许的衰减通过稳压器。对于高过此频率的噪声，必须在LDO之后采用额外的滤波功能，藉由提供衰减以避免此噪声进入ADC。通常将铁氧体磁珠、大量去耦、以及本地电源去耦等功能加以结合之后，很适合用于衰减任何通过线性稳压器的高频率噪声。在设计电源供应滤波器时，对于串联式电感部件的使用必须要很小心，确保电感的“突跳(kicks)”在通电与断电时，其位准不会高到足以对转换器造成损害的程度。
此外，由于常常会在LDO的上游发现交换式转换器，因此设计厂商必须要确保交换器的频率有受到LDO／滤波器电路的适当抑制。现今的交换式转换器正在朝向能够超越传统LDO回路带宽的更高交换频率发展。来自于这些较高频率交换器的噪声能够轻易的通过LDO，而且必须以下游滤波器加以衰减。
虽然线性稳压器在对ADC提供干净的电源方面能够表现不凡，但是它们的主要缺点就是效率。LDO的效率随着供应至线性稳压器输入的电压而定，有可能会非常的低。藉由提供恰好高过LDO漏失电压的电压来改善此效
率，往往会造成额外电源供应级的增加，进而使电源供应设计的成本与复杂度提高。
交换式稳压器的讨论
在以往，交换式稳压器都未曾被建议用来对ADC直接供电。然而现今的交换式稳压器技术一结合了后交换器滤波功能以及谨慎的设计和布局方案，让这些稳压器能够成为更具效率的电源解决方案，可以使用于许多的高速模拟数字转换器。如图2中所示，交换式稳压器能够提供高达95％的效率，相对于LDO在系统电源耗损方面有显着的降低。对于消耗780mW的单通道1.8V ADC而言，使用交换式稳压器电源供应器能够节省640mW或是更多的总体系统功率耗损。因为交换式电源供应器设计可以省去会散热的线性级，因此PCB上的总体热量生成就会降低，进而使额外的降温措施像是风扇以及散热器等需求得以省去。
然而，交换式稳压器也一样会产生出噪声，必须要透过谨慎的设计与布局方案来加以控制。交换式电源供应器会产生两种主要类型的噪声：交换式涟波以及高频率噪声。对于固定频率的交换器，交换式涟波会在交换频率以及其倍数下产生能源。高频率噪声则是透过转换器中的快速电压与电流转变而产生。典型的1～5ns上升时间会在70-350MHz的区间内生成能源。这两种噪声来源都必须要适当的过滤，以避免其干扰转换器的运作使性能降级。这可能需要使用多级LC滤波器以降低涟波，并将噪声予以衰减。为了要维持DC调节，交换式电源供应器控制回路可以沿着输出滤波器的两个级形成封闭状态。这需要一组较低的回路交叉频率，藉以维持稳定性。ADC对电源供应所提供的负载特性，基本上是与频率频率成正比的DC。由于负载是固定的，所以交换式稳压器的瞬时响应相对来说就不是很重要，也因此在这种情况下，低回路交叉是可以接受的。在稳压器上进行外部补偿会令此更为简单。
在输出电源供应电压上加以适当的噪声过滤是 极为重要的，但是对于由包含在电源供应器中的磁性组件(电感器)所耦合的磁场或电场会进入到与ADC频率或是信号路径相关的任何balun(平衡－不平衡转换器)或是变压器当中，设计厂商也必须要确保其为最小化。将电源供应电感器设置于PCB的相对侧，并且远离极重要的ADC频率与输入相关的电路，这将有助于减少此耦合情况。
电源供应的去耦
高速ADC对电源供应提供了稳定的总体负载，但是需要此频率下的ADC采样率与谐波的快速电流转换。由于电路板与走线的电感限制了可以由电源快速提供的电流流量，因此ADC所需要的高频率电流会由电路板的电源供应去耦之后提供。在对高速ADC供电时，大量的电源供应去耦以及本地(在ADC接脚)去耦都应该要加以采用。大量去耦电容器会储存电荷，以便对平面与本地去耦电容充电，同时本地去耦电容则会提供ADC所需要的高频率电流。有效的去耦可以将高频率电源供应瞬时限制在非常靠近生成瞬时的IC区域内，这也能够将电路板上所产生的EMI最小化。
通常对于每一组ADC电源轨至少应该要提供一组大量去耦电容器。这些大量电容器应该要在10μF～22μF的范围内，而且必须是低ESR的陶瓷或是钽金属电容器。针对本地去耦而言，每一个电源接脚搭配一组电容器是最常见的建议。这些本地去耦电容器必须是介于0.01μF～0.1μF的低ESR陶瓷电容器，而且要尽可能的设置在靠近ADC电源接脚处。这些电容器应该要具有过孔(vias)，通到非常接近ADC电源接脚的平面。假如ADC是由PCB上紧密耦合的平面供电的话，那么本地去耦也可以由平面对平面电容来进行。假如这些平面相对较大，而且相隔距离少于5mil的话，那么介于平面之间的电容就能够提供很有效率的去耦机制。平面对平面电容与本地的旁路电容器搭配运作，以提供ADC所需要的高频率电流。
接地
ADC接地是电源供应方程式中的一个重要部份。许多目前的ADC采用LFCSP封装，在封装底部会有一个接地金属片。这个金属片是用来使热量从零件中散出，以及在许多的情况下，接地金属片是该零件的唯一接地链接。这个接地金属片必须要焊接到电路板上具有数个通到接地面过孔的接地垫上。在ADC接地上的噪声也会使性能降级。当数字回返电流流经过ADC区域时，往往就会产生接地噪声。设计厂商应该要采取方法，以确保充满噪声的接地电流不会流往靠近ADC处。一般会建议使用连续平面，但是可能需要一组分割平面以隔离充满噪声的接地电流。
结论
对于ADC的电源供应所采用的执行方法可能会对零件性能造成显着的冲击。遵循本文中所建议的指南应该就能够实现有效率的ADC电源供应设计。想要找寻针对特殊ADC的电源供应参考素材，ADC的评估用电路板当属首选。ADI的所有ADC都有一组包含了电源供应在内的评估用电路板。研究评估用电路板中电源供应与去耦的架构以及所使用的布局，是开始ADC电源供应设计的好方法。
为了要从高速模拟数字转换器获得最大的性能，必须要从直流电源供应器提供它干净的电力。具有噪声的电源供应器可能会导致SNR(信噪比)降低或是在ADC输出中出现不需要的寄生(spurious)内容。本文将会提供ADC电源域以及灵敏度的背景，并且提出对于高速ADC供应电力的基本指南。
模拟以及数字电源供应
大多数现今的高速模拟数字转换器都至少拥有两组的电源域：一组模拟电源(AVDD)以及一组数字与输出驱动器电源(DRVDD)。某些转换器具有额外的模拟电源，通常应该会被当成此处所讨论的附加AVDD电源来处理。在转换器当中的模拟电源与数字电源会被分隔开来，这是为了要避免数字交换噪声(特别是产自于输出驱动器的噪声)去干扰到组件中模拟端模拟取样的取样过程与处理。这种数字输出交换噪声会随着被取样的信号而具有显着的频率内容，而且假如让这种噪声回返至组件的模拟或是频率输入，或是透过电源供应器进入了芯片的模拟端，那就会轻易的将噪声以及寄生性能降级。
对于大部分的高速模拟数字转换器而言，建议对AVDD与DRVDD采用两组独立的电源。这两组电源需要充分的隔离，以避免任何位于DRVDD电源上的数字交换噪声进入转换器的AVDD电源。通常也会对AVDD与DRVDD电源使用个别独立的稳压器，然而假如在两组电源之间有进行充分的滤波，那么一般来说是有可能藉由一组电源而获得适当的性能。
ADC电源供应灵敏度－PSRR
有一个判定高速ADC对于电源供应器噪声的灵敏度的方法，就是强行将一组已知频率加诸于转换器的电源供应轨上，并且检视出现于转换器输出频谱中的生成音频，以检查其电源供应拒斥。检视输入信号相对于出现在频谱中信号的相关电力，以判定转换器在特定频率下的电源供应拒斥比(PSRR)。图1的图表显示了典型高速ADC的PSRR相对于频率的关系。在此图表中的数据乃是以装有旁路电容器、黏着于评估电路板上的部件所取得，这种方法显示出这些部件在典型的应用领域中对电源供应噪声会如何反应。请注意在这个状况中，转换器的PSRR在低频率下会高出许多，而当大约超过10MHz时则会显着的降低。
这个PSRR的信息能够让设计厂商判定允许出现于电源供应中涟波的位准，藉以避免此噪声扰乱转换器的性能。举例来说，假如一组电源在500kHz下具有5mV p-p的涟波，依据以下的PSRR图表，在此频率下的转换器会产生大约58dB的拒斥。因此以转换器在2Vp-p下的全量(full scale)来看，原本低于输入全量52dB的5mV信号将会藉由额外的58dB被衰减至转换器全量电源的110dB以下。利用此方式，设计厂商可以使用转换器的PSRR数据来判定转换器的电源供应在特定频率下的可容许涟波。因此假若转换器的电源在已知频率下会出现涟波的话，例如来自于上游交换式转换器，那么这种方法就可以用来决定是否需要额外的滤波需求，以便将此噪声衰减至可接受的位准。
这个分析是假设只有一组频率被提供给特定的电源供应。依据电源是如何的被切割以及其它组件由电源提供了什么电力，在电源中的噪声就会具有额外的频率内容。假如这就是所发生的状况，那么设计厂商就必须要
确保在电源供应处提供了适当的滤波功能，以便将此噪声予以衰减。请记得在其它耐奎斯特区域中所需ADC输入频带之外的噪声，可以被包含到所需频带当中，这是因为ADC输入的宽带基本性质所致。
线性稳压器的讨论
传统上，线性稳压器是被用来提供干净的电力给转换器的AVDD以及DRVDD轨。低漏失线性稳压器具有高达约1MHz的绝佳低频率噪声拒斥。典型LDO的控制回路带宽在此频率下会耗尽，而较高的频率则会以少许的衰减通过稳压器。对于高过此频率的噪声，必须在LDO之后采用额外的滤波功能，藉由提供衰减以避免此噪声进入ADC。通常将铁氧体磁珠、大量去耦、以及本地电源去耦等功能加以结合之后，很适合用于衰减任何通过线性稳压器的高频率噪声。在设计电源供应滤波器时，对于串联式电感部件的使用必须要很小心，确保电感的“突跳(kicks)”在通电与断电时，其位准不会高到足以对转换器造成损害的程度。
此外，由于常常会在LDO的上游发现交换式转换器，因此设计厂商必须要确保交换器的频率有受到LDO／滤波器电路的适当抑制。现今的交换式转换器正在朝向能够超越传统LDO回路带宽的更高交换频率发展。来自于这些较高频率交换器的噪声能够轻易的通过LDO，而且必须以下游滤波器加以衰减。
虽然线性稳压器在对ADC提供干净的电源方面能够表现不凡，但是它们的主要缺点就是效率。LDO的效率随着供应至线性稳压器输入的电压而定，有可能会非常的低。藉由提供恰好高过LDO漏失电压的电压来改善此效
率，往往会造成额外电源供应级的增加，进而使电源供应设计的成本与复杂度提高。
交换式稳压器的讨论
在以往，交换式稳压器都未曾被建议用来对ADC直接供电。然而现今的交换式稳压器技术一结合了后交换器滤波功能以及谨慎的设计和布局方案，让这些稳压器能够成为更具效率的电源解决方案，可以使用于许多的高速模拟数字转换器。如图2中所示，交换式稳压器能够提供高达95％的效率，相对于LDO在系统电源耗损方面有显着的降低。对于消耗780mW的单通道1.8V ADC而言，使用交换式稳压器电源供应器能够节省640mW或是更多的总体系统功率耗损。因为交换式电源供应器设计可以省去会散热的线性级，因此PCB上的总体热量生成就会降低，进而使额外的降温措施像是风扇以及散热器等需求得以省去。
然而，交换式稳压器也一样会产生出噪声，必须要透过谨慎的设计与布局方案来加以控制。交换式电源供应器会产生两种主要类型的噪声：交换式涟波以及高频率噪声。对于固定频率的交换器，交换式涟波会在交换频率以及其倍数下产生能源。高频率噪声则是透过转换器中的快速电压与电流转变而产生。典型的1～5ns上升时间会在70-350MHz的区间内生成能源。这两种噪声来源都必须要适当的过滤，以避免其干扰转换器的运作使性能降级。这可能需要使用多级LC滤波器以降低涟波，并将噪声予以衰减。为了要维持DC调节，交换式电源供应器控制回路可以沿着输出滤波器的两个级形成封闭状态。这需要一组较低的回路交叉频率，藉以维持稳定性。ADC对电源供应所提供的负载特性，基本上是与频率频率成正比的DC。由于负载是固定的，所以交换式稳压器的瞬时响应相对来说就不是很重要，也因此在这种情况下，低回路交叉是可以接受的。在稳压器上进行外部补偿会令此更为简单。
在输出电源供应电压上加以适当的噪声过滤是 极为重要的，但是对于由包含在电源供应器中的磁性组件(电感器)所耦合的磁场或电场会进入到与ADC频率或是信号路径相关的任何balun(平衡－不平衡转换器)或是变压器当中，设计厂商也必须要确保其为最小化。将电源供应电感器设置于PCB的相对侧，并且远离极重要的ADC频率与输入相关的电路，这将有助于减少此耦合情况。
电源供应的去耦
高速ADC对电源供应提供了稳定的总体负载，但是需要此频率下的ADC采样率与谐波的快速电流转换。由于电路板与走线的电感限制了可以由电源快速提供的电流流量，因此ADC所需要的高频率电流会由电路板的电源供应去耦之后提供。在对高速ADC供电时，大量的电源供应去耦以及本地(在ADC接脚)去耦都应该要加以采用。大量去耦电容器会储存电荷，以便对平面与本地去耦电容充电，同时本地去耦电容则会提供ADC所需要的高频率电流。有效的去耦可以将高频率电源供应瞬时限制在非常靠近生成瞬时的IC区域内，这也能够将电路板上所产生的EMI最小化。
通常对于每一组ADC电源轨至少应该要提供一组大量去耦电容器。这些大量电容器应该要在10μF～22μF的范围内，而且必须是低ESR的陶瓷或是钽金属电容器。针对本地去耦而言，每一个电源接脚搭配一组电容器是最常见的建议。这些本地去耦电容器必须是介于0.01μF～0.1μF的低ESR陶瓷电容器，而且要尽可能的设置在靠近ADC电源接脚处。这些电容器应该要具有过孔(vias)，通到非常接近ADC电源接脚的平面。假如ADC是由PCB上紧密耦合的平面供电的话，那么本地去耦也可以由平面对平面电容来进行。假如这些平面相对较大，而且相隔距离少于5mil的话，那么介于平面之间的电容就能够提供很有效率的去耦机制。平面对平面电容与本地的旁路电容器搭配运作，以提供ADC所需要的高频率电流。
接地
ADC接地是电源供应方程式中的一个重要部份。许多目前的ADC采用LFCSP封装，在封装底部会有一个接地金属片。这个金属片是用来使热量从零件中散出，以及在许多的情况下，接地金属片是该零件的唯一接地链接。这个接地金属片必须要焊接到电路板上具有数个通到接地面过孔的接地垫上。在ADC接地上的噪声也会使性能降级。当数字回返电流流经过ADC区域时，往往就会产生接地噪声。设计厂商应该要采取方法，以确保充满噪声的接地电流不会流往靠近ADC处。一般会建议使用连续平面，但是可能需要一组分割平面以隔离充满噪声的接地电流。
结论
对于ADC的电源供应所采用的执行方法可能会对零件性能造成显着的冲击。遵循本文中所建议的指南应该就能够实现有效率的ADC电源供应设计。想要找寻针对特殊ADC的电源供应参考素材，ADC的评估用电路板当属首选。ADI的所有ADC都有一组包含了电源供应在内的评估用电路板。研究评估用电路板中电源供应与去耦的架构以及所使用的布局，是开始ADC电源供应设计的好方法。