1、高速ADC供電技術分析及設計方案    摘要：實現了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續時間型濾波器的結構、設計和具體實現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態。關鍵詞：Butte為使高速模數轉換器發揮最高性能，必須為其提供干凈的直流電源。高噪聲電源會導致信噪比（

2、SNR）下降和/或ADC輸出中出現不良的雜散成分。本文將介紹有關ADC電源域和靈敏度的背景知識，并討論為高速ADC供電的基本原則。模擬電源和數字電源當今的大部分高速模數轉換器至少都有兩個電源域：模擬電源（AVDD）和數字與輸出驅動器電源（DRVDD）。一些轉換器還有一個附加模擬電源，通常應作為本文所討論的額外AVDD電源來處理。轉換器的模擬電源和數字電源是分離的，以防數字開關噪聲（特別是輸出驅動器產生的噪聲）干擾器件模擬端的模擬采樣和處理。根據采樣信號的不同，此數字輸出開關噪聲可能包含顯著的頻率成分，如果此噪聲返回器件的模擬或時鐘輸入端，或者通過電源返回芯片的模擬端，則噪聲和雜散性能會很容易受

3、其影響而降低。對于大多數高速模數轉換器，建議將兩個獨立的電源分別用于AVDD和DRVDD。這兩個電源之間應有充分的隔離，防止DRVDD電源的任何數字開關噪聲到達轉換器的AVDD電源。AVDD和DRVDD電源常常采用各自的調節器，然而，如果在這兩個電源之間實現了充分的濾波，則采用一個調節器通常也能獲得足夠好的性能。ADC電源靈敏度PSRR確定高速ADC對電源噪聲的靈敏度的一個方法，是將一個已知頻率施加于轉換器的電源軌，并測量轉換器輸出頻譜中出現的信號音，從而考察其電源抑制性能。輸入信號與輸出頻譜中出現的信號的相對功率即為轉換器在給定頻率下的電源抑制比（PSRR）。下圖顯示了典型高速ADC的PSR

4、R與頻率的關系。此圖中數據的測量條件是將器件安裝于配有旁路電容的評估板上，這種方法能夠顯示典型應用中器件如何響應電源噪聲。注意在這種情況下，轉換器的PSRR在低頻時相對高得多，當頻率高于約10MHz時會顯著下降。利用此PSRR信息，設計人員可以確定為了防止噪聲損害轉換器的性能，電源所容許的紋波水平。例如，如果一個電源在500kHz時具有5mVp-p的紋波，則從下面的PSRR圖可知，轉換器在此頻率提供大約58dB的抑制。轉換器的滿量程為2Vp-p，因此原始5mV信號比輸入滿量程低52dB。此信號將進一步衰減58dB，從而比轉換器的滿量程功率低110dB。這樣，設計人員就能使用轉換器的PSRR數據

5、來確定在給定頻率下轉換器電源的容許紋波。如果轉換器的電源在已知頻率具有紋波，例如來自上游開關轉換器，則可以利用該方法確定將此噪聲衰減至容許水平所需的額外濾波。上述分析假設給定電源上僅出現一個頻率。事實上，根據電源獲得方式的不同以及該電源供電對象的不同，電源上的噪聲可能具有額外頻率成分。如果是這種情況，設計人員必須確保為電源提供充分的濾波來衰減此噪聲。請注意，由于ADC輸入的寬帶特性，在其它奈奎斯特頻率區中，處在ADC輸入的目標頻帶之外的噪聲可能會進入目標頻帶。關于線性調節器的討論傳統上使用線性調節器來為轉換器的AVDD和DRVDD軌提供干凈的電源。低壓差線性調節器能夠出色地抑制約1MHz以下的

6、低頻噪聲。典型LDO的控制環路帶寬不超過此頻率，因此更高頻率的噪聲會幾乎毫無衰減地通過調節器。對于此頻率以上的噪聲，必須在LDO之后通過額外濾波對其進行衰減，防止此噪聲到達ADC。通常，結合使用鐵氧體磁珠、大去耦電容和局部電源去耦，即足以衰減任何通過線性調節器的高頻噪聲。設計電源濾波器時必須注意，如果使用串聯感性元件，應確保上電和掉電時的感應電勢不會達到足以損壞轉換器的水平。圖1：典型ADC電源抑制比與頻率的關系此外，鑒于LDO的上游常常還會有一個開關轉換器，設計人員必須確保LDO和濾波器電路能夠充分抑制此開關轉換器的頻率。現代開關轉換器的開關頻率越來越高，可能高于典型LDO的環路帶寬。來自這

7、些高頻開關轉換器的噪聲很容易通過LDO，必須利用下游濾波器對其進行衰減。雖然線性調節器能夠很好地為ADC提供干凈的電源，但效率不高是其主要缺點。根據提供給線性調節器輸入端的電壓的不同，LDO的效率可能非常低。提供一個略高于LDO壓差的電壓雖然可以提高效率，但這經常需要增加額外的電源級，導致電源設計的成本和復雜度隨之增加。為使高速模數轉換器發揮最高性能，必須為其提供干凈的直流電源。高噪聲電源會導致信噪比（SNR）下降和/或ADC輸出中出現不良的雜散成分。本文將介紹有關ADC電源域和靈敏度的背景知識，并討論為高速ADC供電的基本原則。模擬電源和數字電源當今的大部分高速模數轉換器至少都有兩個電源域：

8、模擬電源（AVDD）和數字與輸出驅動器電源（DRVDD）。一些轉換器還有一個附加模擬電源，通常應作為本文所討論的額外AVDD電源來處理。轉換器的模擬電源和數字電源是分離的，以防數字開關噪聲（特別是輸出驅動器產生的噪聲）干擾器件模擬端的模擬采樣和處理。根據采樣信號的不同，此數字輸出開關噪聲可能包含顯著的頻率成分，如果此噪聲返回器件的模擬或時鐘輸入端，或者通過電源返回芯片的模擬端，則噪聲和雜散性能會很容易受其影響而降低。對于大多數高速模數轉換器，建議將兩個獨立的電源分別用于AVDD和DRVDD。這兩個電源之間應有充分的隔離，防止DRVDD電源的任何數字開關噪聲到達轉換器的AVDD電源。AVDD和D

9、RVDD電源常常采用各自的調節器，然而，如果在這兩個電源之間實現了充分的濾波，則采用一個調節器通常也能獲得足夠好的性能。ADC電源靈敏度PSRR確定高速ADC對電源噪聲的靈敏度的一個方法，是將一個已知頻率施加于轉換器的電源軌，并測量轉換器輸出頻譜中出現的信號音，從而考察其電源抑制性能。輸入信號與輸出頻譜中出現的信號的相對功率即為轉換器在給定頻率下的電源抑制比（PSRR）。下圖顯示了典型高速ADC的PSRR與頻率的關系。此圖中數據的測量條件是將器件安裝于配有旁路電容的評估板上，這種方法能夠顯示典型應用中器件如何響應電源噪聲。注意在這種情況下，轉換器的PSRR在低頻時相對高得多，當頻率高于約10M

10、Hz時會顯著下降。利用此PSRR信息，設計人員可以確定為了防止噪聲損害轉換器的性能，電源所容許的紋波水平。例如，如果一個電源在500kHz時具有5mVp-p的紋波，則從下面的PSRR圖可知，轉換器在此頻率提供大約58dB的抑制。轉換器的滿量程為2Vp-p，因此原始5mV信號比輸入滿量程低52dB。此信號將進一步衰減58dB，從而比轉換器的滿量程功率低110dB。這樣，設計人員就能使用轉換器的PSRR數據來確定在給定頻率下轉換器電源的容許紋波。如果轉換器的電源在已知頻率具有紋波，例如來自上游開關轉換器，則可以利用該方法確定將此噪聲衰減至容許水平所需的額外濾波。上述分析假設給定電源上僅出現一個頻率

11、。事實上，根據電源獲得方式的不同以及該電源供電對象的不同，電源上的噪聲可能具有額外頻率成分。如果是這種情況，設計人員必須確保為電源提供充分的濾波來衰減此噪聲。請注意，由于ADC輸入的寬帶特性，在其它奈奎斯特頻率區中，處在ADC輸入的目標頻帶之外的噪聲可能會進入目標頻帶。關于線性調節器的討論傳統上使用線性調節器來為轉換器的AVDD和DRVDD軌提供干凈的電源。低壓差線性調節器能夠出色地抑制約1MHz以下的低頻噪聲。典型LDO的控制環路帶寬不超過此頻率，因此更高頻率的噪聲會幾乎毫無衰減地通過調節器。對于此頻率以上的噪聲，必須在LDO之后通過額外濾波對其進行衰減，防止此噪聲到達ADC。通常，結合使用鐵氧體磁珠、大去耦電容和局部電源去耦，即足以衰減任何通過線性調節器的高頻噪聲。設計電源濾波器時必須注意，如果使用串聯感性元件，應確保上電和掉電時的感應電勢不會達到足以損壞轉換器的水平。圖1：典型ADC電源抑制比與頻率的關系此外，鑒于LDO的上游常常還會有一個開關轉換器，設計人員必須確保LDO和濾波器電路能夠充分抑制此開關轉換器的頻率。現代開關轉換器的開關頻率越