【導(dǎo)讀】在精密電子系統(tǒng)中，電源噪聲一直是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸出出現(xiàn)隨機(jī)偏差時(shí)，其根源往往是供電軌上的噪聲耦合到了壓控振蕩器（VCO），進(jìn)而引發(fā)時(shí)鐘抖動(dòng)，導(dǎo)致采樣時(shí)序錯(cuò)誤。傳統(tǒng)方案需依賴低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）來抑制噪聲，但LDO在高壓差或大電流場景下效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重。近年來，開關(guān)模式電源（SMPS）通過Silent Switcher?架構(gòu)和電磁干擾屏蔽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，能夠直接為噪聲敏感型器件（如高速ADC、鎖相環(huán)）供電，同時(shí)保持與LDO相媲美的信噪比（SNR）。
摘要
在精密電子系統(tǒng)中，電源噪聲一直是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸出出現(xiàn)隨機(jī)偏差時(shí)，其根源往往是供電軌上的噪聲耦合到了壓控振蕩器（VCO），進(jìn)而引發(fā)時(shí)鐘抖動(dòng)，導(dǎo)致采樣時(shí)序錯(cuò)誤。傳統(tǒng)方案需依賴低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）來抑制噪聲，但LDO在高壓差或大電流場景下效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重。近年來，開關(guān)模式電源（SMPS）通過Silent Switcher?架構(gòu)和電磁干擾屏蔽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，能夠直接為噪聲敏感型器件（如高速ADC、鎖相環(huán)）供電，同時(shí)保持與LDO相媲美的信噪比（SNR）。
引言
您是否遇到過ADC的輸出結(jié)果出現(xiàn)輕微偏差和隨機(jī)變化的情況？這可能是由ADC系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲引起的。一個(gè)常見的噪聲源是壓控振蕩器(VCO)的供電軌。此供電軌上的噪聲可能會(huì)給時(shí)鐘信號(hào)帶來抖動(dòng)，而時(shí)鐘信號(hào)隨后會(huì)用作ADC的采樣時(shí)鐘。如果抖動(dòng)較大，ADC轉(zhuǎn)換就可能出現(xiàn)誤差，進(jìn)而產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。
眾所周知，SMPS在電壓轉(zhuǎn)換過程中需要進(jìn)行開關(guān)操作，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲。如果將SMPS用于時(shí)鐘的供電軌，就會(huì)將噪聲引入ADC系統(tǒng)。為了盡可能減小誤差，通常采用具備噪聲抑制能力的LDO穩(wěn)壓器為噪聲敏感型器件供電。
ADI公司的LTM8080降壓型穩(wěn)壓器SMPS等器件，集成了后調(diào)節(jié)雙LDO穩(wěn)壓器和噪聲抑制技術(shù)。類似于獨(dú)立的LT3045LDO穩(wěn)壓器，這款SMPS器件能夠提供低噪聲供電軌。
為什么必須關(guān)注供電軌噪聲？
供電軌噪聲是能夠?qū)ο到y(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響的一個(gè)關(guān)鍵因素。圖1中，LT3045 LDO穩(wěn)壓器用作低噪聲供電軌，為ADF4372頻率合成器的VCO供電。然后，ADF4372為AD9208 ADC和FPGA板生成時(shí)鐘信號(hào)。圖2顯示了從LT3045 LDO穩(wěn)壓器輸出獲得的相位噪聲圖，此圖可作為比較備選供電軌方案的基準(zhǔn)。
圖1.VCO/ADC設(shè)置的基本框圖
圖2.作為基準(zhǔn)的LT3045相位噪聲圖（1 GHz，2 MHz范圍）
相較于基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如果采用噪聲較高的供電軌，噪聲頻譜圖會(huì)不太理想，如圖3所示，其中邊帶略有升高。當(dāng)這些邊帶達(dá)到一定水平時(shí)，會(huì)給ADC采樣時(shí)鐘的上升沿帶來抖動(dòng)（圖4）。結(jié)果，ADC會(huì)在非預(yù)期的時(shí)間點(diǎn)對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，導(dǎo)致生成包含位錯(cuò)誤的異常數(shù)據(jù)字。
位錯(cuò)誤的發(fā)生可能會(huì)造成顯著的后果，尤其是當(dāng)位錯(cuò)誤很嚴(yán)重時(shí)。ADC的實(shí)際數(shù)據(jù)字與預(yù)期數(shù)據(jù)字的偏差可能會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)意外行為。例如，如果數(shù)據(jù)字指示的輸入電壓高于實(shí)際電壓，器件可能會(huì)在系統(tǒng)尚未準(zhǔn)備好的情況下被提前激活。在安全關(guān)鍵應(yīng)用中，這種意外狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致安全特性被禁用。
圖3.高噪聲SMPS的相位噪聲圖示例（1.23 GHz，2 MHz范圍）
得益于EMI噪聲屏蔽技術(shù)，SMPS現(xiàn)在可以放置在LDO穩(wěn)壓器附近，而不會(huì)將開關(guān)噪聲耦合到LDO穩(wěn)壓器的輸出端。如果將SMPS和LDO穩(wěn)壓器封裝在一起，除了降低噪聲之外，還能獲得其他優(yōu)勢(shì)。參見表1。
圖4.高噪聲VCO供電軌引起ADC采樣時(shí)鐘邊沿抖動(dòng)（VCO輸出），進(jìn)而造成ADC采樣誤差
單個(gè)封裝中集成開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器和LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)
表1.SMPS + LDO穩(wěn)壓器相較于獨(dú)立LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)
將關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器(SMPS)與LDO穩(wěn)壓器集于一體的器件具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它可以由12 V或24 V等標(biāo)準(zhǔn)供電軌供電，輸入電源非常靈活。此外，可以設(shè)計(jì)中間總線來維持一個(gè)高于LDO穩(wěn)壓器輸出的特定電壓，這樣即使器件由較高電壓供電也能穩(wěn)定工作。這種“電壓輸入到輸出控制”(VIOC)特性通過控制上游SMPS的輸出，確保LDO穩(wěn)壓器具有設(shè)定的裕量。要想在提升效率的同時(shí)保持電源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。
SMPS與LDO穩(wěn)壓器的組合，使得對(duì)噪聲敏感的布線可以在器件內(nèi)部電路中進(jìn)行。因此，只需在PCB層面應(yīng)用基本布線技術(shù)，即足以優(yōu)化器件的噪聲性能。
此外，得益于完全集成的EMI噪聲屏蔽，片內(nèi)SMPS的噪聲不是向各個(gè)方向輻射，而是被引導(dǎo)至遠(yuǎn)離LDO穩(wěn)壓器的方向。這項(xiàng)技術(shù)使得開關(guān)穩(wěn)壓器可以放置在LDO穩(wěn)壓器附近，而不會(huì)影響LDO穩(wěn)壓器的噪聲抑制能力。因此，這款完全集成的器件可以布置在過去因噪聲問題而不適合布置SMPS的區(qū)域。
如果器件的SMPS部分能夠提供比LDO穩(wěn)壓器額定值更大的電流，則可以將多個(gè)LDO穩(wěn)壓器集成到封裝中。此外，外部LDO穩(wěn)壓器可以連接到中間總線，從而為用戶的設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。
為了確保符合器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中提到的規(guī)格，我們對(duì)這款完全集成的SMPS加LDO穩(wěn)壓器組合器件進(jìn)行了全面的測(cè)試，以保證器件滿足規(guī)定的要求。
噪聲低如LDO穩(wěn)壓器的開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器
與基準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器方案相比，LTM8080的輸入電源電壓靈活性更大，而且功率損耗更低。圖5展示了采用LTM8080的示例解決方案，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)靈活性。LTM8080與共封裝的降壓穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器一起，集成了EMI噪聲屏蔽，能夠有效引導(dǎo)輻射噪聲的傳播方向。
圖5.LTM8080解決方案取代了ADF4372SD2Z評(píng)估板上的兩個(gè)LT3045 LDO穩(wěn)壓器，而且支持可選的用戶自定義第三LDO穩(wěn)壓器輸出，以實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)靈活性。
比較LTM8080和LT3045的噪聲抑制能力，兩者的測(cè)量結(jié)果幾乎完全一致。表2展示了SNR比較結(jié)果，圖6顯示了相位噪聲圖。因此，LTM8080可用作LT3045的替代方案，既能有效減少位錯(cuò)誤，又能很好地抑制噪聲。
表2.SNR比較：LTM8080對(duì)比LT3045
圖6.相位噪聲圖：LTM8080（左）與LT3045（右）
結(jié)論
測(cè)試結(jié)果清楚地表明，具備先進(jìn)噪聲抑制技術(shù)（例如EMI噪聲屏蔽）的SMPS器件可以有效取代LDO穩(wěn)壓器來為噪聲敏感型供電軌供電。盡管概念驗(yàn)證主要針對(duì)VCO供電軌，但集成SMPS和LDO穩(wěn)壓器的解決方案所具備的設(shè)計(jì)靈活性，也能惠及許多其他對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用。
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