如何测量模数转换器中的电源抑制

为了避免电源噪声影响信号链模数转换器（ADC）中的信号完整性，测量ADC的电源抑制（PSR）非常重要。本博文将重点介绍此测量所需的技术，并描述如何推导出ADC的PSR。


ADC需要一个或多个电源，如果不采取预防措施，其灵敏度可能会影响ADC的数据采集。电源灵敏度与时钟抖动问题无关，目前可以很好地理解。我们将仅以高速ti ADC3444 ADC为例，重点介绍本文中的电源灵敏度。的ADC3444是一个四信道14位的125Mbps ADC设计用于高性能多通道应用。

从数据手册来看，ADC3444具有两个不同的电源：1.8V模拟电源和1.8V数字电源。数据表提供了电气特性（第7.7节）部分和应用部分（第11节）中的以下信息。







在评估ADC的性能时，ADC具有成为自己的数字转换器的优势。我们感兴趣的是快速傅里叶变换（FFT）会发生什么，同时将单音信号数字化并向ADC电源引脚添加噪声音。为了简化，我们不会担心电源噪声，但会发出叠加在直流电源电压上的正弦波。我们可以使用功率放大器实现这种叠加，如图1所示。

图1：功率放大器简化原理图

请注意，DC增益设置为1V / V. 输出端使用小型隔离电阻，有助于防止由电容负载引起的放大器不稳定。

在这一点上，我们只关注在单一频率下测量ADC的电源特性，为以后留下完整的PSRR频率图。由于ADC具有非常高的模拟带宽，因此我们期望模拟电源的PSRR为高频 - 或至少超出设计电源时所关注的最大频率。对于ADC3444，模拟输入带宽为540MHz。请注意，在电源引脚上添加任何旁路电容将改善高频下的测量PSR，因为电容会绕过任何高频。

测试配置如图2所示，在模拟电源引脚（AVDD）和数字电源引脚（DVDD）之间没有任何区别。为了隔离AVDD和DVDD电源之间可能的相互作用，测量程序一次在单个电源上引入噪声音。每个电源的去耦遵循ADC3444数据表的建议。十三个AVDD引脚将使用0.1μF的X7R电容，总电流为1.3μF。同样，四个DVDD电源引脚每个都有0.22μF，DVDD电源总共为0.88μF。

图2：测试配置

图3显示了ADC3444电源的结果。下面的每个图表都是模拟信号的快速傅里叶变换（FFT）。FFT是信号的分解，是正弦波的总和。简而言之，图表显示了信号的频率成分。因此，x轴是频率，y轴表示每个正弦波的幅度。在下面的示例中，我们使用100MHz时钟，从而获得50MHz的采集带宽。

馈入ADC的信号为19.8MHz，幅度为-2dBFS（dB低于满量程）。这在图3中示出，其是没有噪声音调的参考信号。

图3：ADC3444 AVDD参考FFT

为了评估ADC的PSR，为每个电源设计了以下程序：

1-将放大器连接到被评估的电源[这里将是AVDD或DVDD]

2-将直流电源连接到其他电源。[此直流电源是一种清洁电源，因其低噪声特性而被选中]

3-打开噪音并捕获FFT。[已选择噪声音调，以最大限度地抑制被测电源引脚上的干扰，同时仍然符合电源容差。

图4显示了与ADC相同的信号音，但这次在AVDD电源引脚中增加了一个噪声音。由于所有其他条件相同，因此FTT上的任何降级都可以与AVDD电源上的噪声音调相关联。

图4：ADC3444 AVDD响应100mVpp 1MHz正弦波叠加到1.8V

然后我们在DVDD电源引脚上重复相同的实验，并获得图5所示的图表。这次噪声音仅出现在DVDD电源上。

图5：ADC3444 DVDD响应100mVpp 1MHz正弦波叠加到1.8V

请注意，对于AVDD电源（图4），出现了三个额外的杂散：1MHz，18.8MHz和20.8MHz。随着噪声音调被添加到获取的频谱中，可以预期第一个音调。另外两个不需要的音调正好在右侧和左侧1MHz，与中心频率对称。

对于DVDD电源，图3和图5之间的唯一区别是1MHz的新杂散。

图6总结了马刺的位置。请注意，马刺的幅度旨在纯粹是描述性的而非定量的。

图6：AVDD和DVDD电源的马刺位置

现在我们已经进行了初始测量，我们仍然需要解释它以便能够提取所需的PSRR规范。100mV交流信号称为干扰信号，可确保其足够大，足以伸出ADC本底噪声，同时又不会超过AVDD和DVDD上的工作电压范围。

让我们使用图6和图7来帮助我们解释结果并将dB低于满量程（dBFS）转换为PSRR规范。假设基波幅度为-2dBFS。由于图7中的ADC3444数据手册告诉我们0dBFS（或满量程）是2Vpp，我们可以将dBFS转换为Vpp。这可以通过下面的等式1来实现：


将此应用于-2dBFS基波，ADC输入端的差分电压摆幅为： 



我们现在可以将ADC FFT结果中的dBFS测量结果转换为可以与AC输入信号进行比较的信号，从而计算出ADC电源的抑制程度。AVDD电源上的100mV信号对-2dBFS信号的影响为-95dBFS。数据手册告诉我们0dBFS是2Vpp（见图5），所以-95dBFS可以通过以下公式计算：



然后可以使用公式2计算PSRR： 
     

将数字插入等式2给出了PSRR（电源抑制比），其中-2dBFS基本幅度和电源上的1MHz干扰信号。






图7：模拟输入电气特性

通过针对每个电源和多个频率重复此处描述的过程，可以轻松地为任何ADC开发PSR模型。请注意，PSR模型包括推荐的旁路电容的影响。

这篇文章中的技术只是评估ADC电源PSR的第一步。接下来的文章将介绍如何使用此信息来表征ADC电源并指导产品和外部元件选择。