我們研究了通過更好的接地技術和增強的外部電壓基準來提高模數(shù)轉換器 (ADC) 精度的方法?,F(xiàn)在,是時候看看電源本身了。
電源完整性是一個復雜的領域,對于非常高性能的設計,電磁 (EM) 仿真成為一種重要工具,但由于成本原因,大多數(shù)制造商無法使用。像本系列中的往常一樣,我們不會討論復雜的理論。相反,讓我們討論一下制造商應該了解的有關為 ADC 供電的基礎知識。
模擬電路更喜歡清潔電源
插入 USB 電纜或電源“磚”后,人們可能不會過多考慮為小型數(shù)字系統(tǒng)供電。燈亮了,提示出現(xiàn)了,一切似乎都很好。這是數(shù)字電路的魔力。在進入非常高的頻率之前,數(shù)字芯片會在它們的零狀態(tài)和一狀態(tài)之間清晰地切換。有電源噪聲,但在數(shù)字電路注意到任何不良影響之前,它必須變得非常大,可能達到數(shù)百毫伏。
另一方面,模擬電路對電源完整性的要求更高。噪聲往往會從電源軌進入模擬信號。消除噪音是動機之一,它必須盡可能靠近傳感器。如果使用更高分辨率的 ADC,步寬(代表一位數(shù)字輸出變化的電壓)可能只有幾毫伏,從而使 ADC 更容易受到噪聲的影響。
電源噪聲以三種方式出現(xiàn):紋波、尖峰和熱噪聲。紋波是在示波器上清晰可見的時域效應,通常由交流電源或開關偽影饋送。當電源控制器看到負載變化時,會出現(xiàn)尖峰或瞬變。熱噪聲在所有電子電路中都很常見,通常處于背景水平。
線性與開關調節(jié)
過去,模擬設計純粹主義者是線性穩(wěn)壓電源的忠實擁護者,通常是 ±12 VDC 或 ±15 VDC。線性調節(jié)從重物開始:大型變壓器、大型電容器等。使用這些,可以制作出玻璃般光滑的電源軌,紋波不易察覺,沒有尖峰。還有一些線性穩(wěn)壓器設計用于從一種直流電壓降到較低的直流電壓。除了體積大之外,線性電源和穩(wěn)壓器效率低下,在轉換過程中損失了大部分功率輸入。
提高效率意味著轉向開關模式電源 (SMPS) 或開關穩(wěn)壓器。顧名思義,這些以一定頻率斬波輸入功率,然后平滑輸出,該輸出可以高于或低于輸入電壓。例如,開關穩(wěn)壓器可以將許多制造商模塊上的 3.3 VDC 轉換為適用于模擬電路的 12 VDC。
那么,如果轉換為更高的電壓很容易,為什么許多模塊試圖在更低的電壓上運行它們的集成 ADC?這是一個成本問題;節(jié)省開關穩(wěn)壓器可以節(jié)省空間和金錢。微控制器中的大多數(shù)集成 ADC 以低分辨率運行,例如 8 位。憑借高 ADC 步寬和傳感器輸入上的低電壓擺幅,人們可能會在開關數(shù)字電源軌上運行 ADC,而不會在數(shù)字輸出中看到太多噪聲。
功率取決于應用
但也許不是。假設數(shù)字電源后面的開關穩(wěn)壓器的頻率為 30 kHz,應用程序以 96 kHz 的頻率采樣音頻。30 kHz 開關頻率下的電源紋波可能存在于樣本中,因此幾乎不可能濾除。在本例中,最好的解決方案是設置一個單獨的模擬電源穩(wěn)壓器,并將其推至采樣帶寬之外的更高開關頻率,即 200 kHz 或更高。
增加模擬電路的電源范圍還有另一個好處:提高信噪比 (SNR)。外部 ADC 驅動器可以使用更廣泛的模擬電源放大輸入信號。然后,更高分辨率的 ADC 可以在高于噪聲水平的步長上運行更多位,從而獲得更清晰的結果。
由于僅對模擬驅動器和 ADC 的電流需求可能很低,因此小型開關穩(wěn)壓器可以為大多數(shù)應用創(chuàng)建模擬電源軌。最終,為模擬電路添加開關穩(wěn)壓器并改善其噪聲性能可能比清理用于大多數(shù)模塊組件的數(shù)字電源軌更直接。
對于極高精度的應用,這種簡化的方法可能行不通。許多應用文獻都談到了使用低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器來創(chuàng)建模擬電源軌,大概是在開關穩(wěn)壓器將板載電壓提升到足夠高的水平以供 LDO 運行之后。
如果擁有這些更強大的 EM 仿真工具,就有可能找出電源噪聲、電磁干擾和其他問題的來源。在大多數(shù)情況下,制造商希望保持簡單,在專用穩(wěn)壓器上分離模擬電源軌是更好的選擇。