Power Supply Gürültünün ADC Performans ve Mitigation Teknikleri Üzerine Etkisi

Analog-enerji dönüştürücüleri (ADCs) modern elektronik sistemlerde temel bina bloklarıdır, sürekli gerçek dünya sinyallerini ayrı ayrı dijital temsillere dönüştürmekle analog ve dijital alanlarla ilişkilendirir. Performansları doğrudan doğruyu anlar ve ölçüm, iletişim ve kontrol sistemlerinin sadakatini anlar. Ancak, ADCs, güç tedarik rayları üzerinde hassastır. Güç tedarik stratejileri ve yüksek talep stratejileri için gerekli olan yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte sinyal-değerli gerilim dalgalanmaları sağlar.

Bu makale, güç tedarik gürültünün kaynaklarını ve özelliklerini inceler, kritik ADC performans ölçümleri üzerinde etkisini keşfeder ve güvenilir, yüksek sadakatli sistemlerde yüksek sadakat dönüşümü sağlamak için kanıtlanmış bir dizi işlem tekniği sunar.

Power Supply Gürültüünü Anlamak

Power Supply gürültü, ADC'ye sağlanan ideal sabit DC geriliminden herhangi bir istenmeyen sapmayı ve ilişkili analog devrelerini kapsar. Bu rahatsızlıklar periyodik, rastgele veya geçici olabilir ve ADC'ye güç pinleri, substratları veya zemin uçağıyla çift olabilirler.

Power Supply Gürültü Türleri

• [FONT:0)Ripple: [Dönetici: [Döneticileri Düşük frekanslı periyodik dalgalanmalar genellikle Hologramı Hz'de veya geçiş düzenleyicisinin temel frekansı (100 kHz'yi birkaç megahertz'a kadar) ayarlar.
• [FONT=0)Spikes ve Glitches:[Dönetici: Kısa-durma, dijital mantık geçişinden gelen hızlı geçiciler, hareket etme veya elektrostatik deşarjlar. Bu olaylar doğrudan ADC’nin örnekleme kapasitesine enjekte edilebilir, dönüşüm hatalarına neden olabilir.
• [FONT:0)Broadband Gürültü: [Dönder:[Dönder: 1) Rastgele gürültü geniş bir frekans spektrumu arasında dağıtılmış, genellikle direnç gösteren seslerden kaynaklanır, yarı iletken ses veya geçiş düzenleyicilerinin gürültü zemini. Bu gürültü ADC'nin achievable sinyal-to-noise oranını azaltır.
• [FONT:0) Dijital Anahtarlama Gürültü: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Dijital bitişik dijital devrelerde üretilen yüksek frekanslı gürültü.

Power Supply Gürültünün Kaynakları

Gürültü kaynakları sisteme içilebilir - güç dönüştürücüleri, DC-DC düzenleyicileri, saat jeneratörleri ve dijital işlemciler - veya yakın ekipman, radyo frekansı sinyalleri ve anas hum. hassas analog dönüştürücüler gürültülü dijital mantıkla birlikte uyumlu olarak, bu kaynaklar dikkatli tasarım gerektiren zorlu bir gürültü ortamı yaratır.

Power Supply Gürültü ADC Performansını Nasıl Etkiler

Güç tedarik gürültüyü birkaç doğrudan ve dolaylı mekanizma aracılığıyla ADC performansını gösterir. Etkisin ciddiyet, cihazın dönüştürücü durumuna (başarılı tayf kaydı, sigma-delta, boru hattı vs.), gürültü frekansına göre karşılık gelir.

• [FONT=0)İncreased Quantization Hata ve Eksik Kodlar:[Dönemli kodlar) Referans veya tedarik gerilimi, ADC'nin karar eşlerini değiştirmesine neden olabilir. Bu, dönüştürücünin yanlış çıktı kodları üretmesine neden olabilir, kararlarını tamamen azaltır.
• [[Düzücük:0)Redük Signal-to-Noise Oranı (SNR): [DFLT:1), Supply gürültünün her bir örnekle ilgili bir hata bileşeni ekliyor, giriş sinyaliyle ilgili olarak.Bu in-band gürültü zeminini doğrudan yükseltiyor, SNR'de her 1 dB artışı için, her bir miktar (ENOB) etkili bir miktar azaltılıyor.
• [FONT=0]Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) Degradasyon: Periyok dalgalanma veya anahtarlama gürültü ADC çıktı spektrumunda şaşırtıcı tonlar oluşturur. Bu tonlar, iletişim ve spektrum analiz uygulamalarında kritik bir ölçüm oluşturabilir.
• [FONT:0]Sampling Time Jitter: İç gerilim referansları veya önyargı akımları üzerindeki floreasyonlar, örneklemeyi anında modülleştirebilir. Bu aperture jitter, giriş sinyaline göre bir gürültü bileşeni sunar, yüksek giriş frekanslarında kullanılabilir SNR.
• [FONT:0) Toplam Harmonik Distortion (THD): [D: [D: CUMH 1) ADC'nin iç komparlar veya yükselteçleri, giriş sinyalinin harmoniklerini, genel doğrusallığı yükselterek ortaya koyarlar.

Anahtar Performans Metrikleri Etkilendi

• [FONT:0)Effective Number of Bits (ENOB)).
• [FONT:0)Signal-to-Noise Oran (SNR)).
• [FONT:0)[değiştir | kaynağı değiştir]
• [FONT=0)Spurious-Free Dynamic Range (SFDR)).
• [0]DC Offset ve Puan[Dönemli)[Dönemli)
• [0]([0)))))

Power Supply Rejeksiyon Oran (PSRR) ve Sınırları

ADC veri sayfası genellikle Power Supply Rejection Oran (PSR), bu, yaklaşık 80 dB'nin 100 Hz'de ne kadar tedarik ettiğini ölçmektedir. Bu nedenle, sadece ADC'nin iç devreleri nedeniyle daha yüksek frekanslarda yüksek orandan ayrılır. Örneğin, yüksek performanslı 16-bit ADC, 100 Hz.500 dB'nin performansını elde etmek için neredeyse 40 dB'ye ihtiyaç duyabilir.

Karma-Signal Systems'de Güç Kaynağının Yaygın Kaynakları

Tipik bir karışık PCB'de, birkaç gürültü kaynağı ADC performansını tehlikeye atabilir:

• [[Düzücüler: [Dönetici için kullanılanlar, geçiş frekansına ve harmoniklerine, parasitik indükleme ve kapasitance nedeniyle yüksek frekanslı ringing ile birlikte dalgalanıyorlar.
• [FONT:0] Dijital Süreçler ve FPGAs:) Büyük, hızlı akım aksakları saat kenarlarında çizer, zemin çürütüp, paylaşılan yüklerle analog raylara besleme sağlayan droop tedarik eder.
• [FONT:0)Clock Dağıtım Devreleri:[Dönetici:[Dönetici:0) Clock Dağıtım Devreleri:[Dönetici:[Dönetici: 1) ADC geçiş bandına sahip olabilecek periyodik gürültü üretin, eğer kötü filtrelenmişse.
• [FONT:0)Dönetici Alanlar:[Döneticiler veya motorlar, güç izlerinin oluşturduğu döngülerde mevcutları tetikler.
• [FONT:0)Ground Loops:[[Dönder:[Dönder:) Birden çok geri dönüş yolu, analog ve dijital nedenlerle potansiyel farklılıkları yaratır, ADC'nin referansına gürültü enjekte eder.

Güç Kaynağı için Dava Teknikleri

Mitigating power supply gürültü, bileşen seçimi, PCB düzeni ve filtreleme ile bir katmanlı yaklaşım gerektirir. Aşağıda uygulama alanı tarafından organize edilen ayrıntılı teknikler vardır.

Decoupling ve Bypass Capacitors

Seramik kapasitörler düşük eşdeğer seri direniş (ESR) ve ADC gücü pins'e yakın, yüksek frekanslı gürültü için yüksek frekanslı bir mesafe oluşturur.Sırıklıklı akışlar için fazladan kullanın: 10-100 MHz reziği için 1 μF veya 10 μF daha düşük frekanslar için en az iki yıl boyunca, bir μF veya bir μF veya elektrot kapasiteli (100 μF)

Low-Dropout Düzenlemeleri (LDOs)

LDO'lar, geniş frekans aralığında yüksek PSR ile temiz, düşük çözünürlükte DC gerilimi sağlar. Bir geçiş düzenleyicisi takip eden lineer bir düzenleyici 60-80 dB tarafından ripplen. LDO'nun gürültüye duyarlı uygulamalar için belirtilen bir LDO'yu seçin (örneğin, [[0)Analog Cihazları LT3045) veya ).Texas Instruments TPS7A47).

Güç Kaynağı

• [FONT=0) DERSİ: [Dönetici: 0,3|Döneticileri alt üst düzey bir filtre oluşturabilir.The objector provides some voltaj drop but can ripple by 20-40 dB at frequency above the cutors and X7R or C0G kapasitors.
• [FONT:0]LC Filtreler (Pi Filtre): [Döneticileri her iki tarafta da kapasiteye sahip bir indüktöre kabul edilebilir DC direnişiyle yüksek seviyedeki baskılar kullanılabilir. Ferrite beads yüksek frekanslı gürültü baskı için kullanılabilir, ancak yüksek DC akımlarında oturup doğrusal olmayanlıkları tanıtabilirler.
• [FONT:0)Active filtreler:[Dönemli filtreler (Sallen-Key, birden fazla geri bildirim) keskin kesme ve yüksek Q sağlayabilir, ancak ek güç gerektirir ve kendi gürültülerini ekleyebilirler.

Proper Grounding ve PCB Layoutout

Yer tüm devre akımları için geri dönüş yoludur; herhangi bir engel gürültü olarak görünen bir gerilim yaratır.En iyi uygulamalar şunları içerir:

• ADC ve analog devre altındaki sürekli, düşük kesintili bir zemin uçağı kullanın. Sadece alanlardan başka zemin uçağın bölünmesinden kaçının ve karışık-signal bölümler için sağlam bir uçak kullanın.
• Yol analog ve dijital sinyal ayrı izler ve onları birbirine geçmekten kaçınır. Eğer geçit kaçınılmaz ise, katmanların arasında bir zemin uçağı kullanın.
• ADC'nin analog zeminini (AGND) ve dijital zemini (DGND) şematik üzerinde ayrı tut, ancak onları tek bir noktada (yıldız zemin) ADC'ye yakın, genellikle zemin uçaktaki.
• Tedarik çıkışı, kapasitörler ve ADC güç pin arasında geçişleri azaltın.

Ayrı Güç Domainleri

Dijital tedarikin bireysel LDO'ları veya ayrı düzenleyici çıktıları kullanarak analog tedariki.Bu, uçaklar arasında fiziksel bir bölme oluşturmak için ferrite beads veya küçük direnişçiler kullanın.Bu, dijital geçiş akımlarını modüle etmek için analog taşımayı önler. Ek olarak, ayrı geri dönüş yolları sağlar -analog geri dönüş akımları, yıldız zemininin aşağı doğru akışını paylaşmamalıdır.

Shielding ve Layout Optimizasyon

Metal kanal veya bakır uçaklarla fiziksel kalkan elektromanyetik müdahaleyi azaltabilir. PCB'de ADC ve analog devreleri yüksek hızlı dijital otobüslerden uzak tutar (örneğin, Prat bellek, yüksek hızlı seri bağlantıları) onları analog izler ve onları çok yüksek hızlı ADC'lere bağlayabilir.

Güç Supply Sequencing

Birçok yüksek performanslı ADCs, birden fazla tedarik gerilim gerektirir (analog, dijital, I/O) Improper sequencing, latch-up veya dahili hasarlara neden olabilir. Üreticinin tavsiye edilen diziyi takip edin -tipik olarak analog tedariki dijital tedarik almadan önce. MOSFET'ler ile basit bir RC gecikmeleri kullanın.

Aktif gürültü İptali

Aşırı gürültü gereksinimleri için, aktif besleme veya geri bildirim iptalleri, tedarik demiryolundan bilinen gürültü kalıpları çıkartabilir. Bu teknik, laboratuvardaki daha yaygıntır ancak yüksek uç tıbbi görüntüleme veya radar alıcılarında haklı olabilir. Bir enjeksiyon transformatörü veya yüksek-PSR LDO belirli frekanslarda ek reddedilme sağlayabilir.

ADC Power Supply Design için en iyi uygulamalar

Aşağıdaki kontrol listesi, ADC sistemlerindeki güç tedarik gürültülerini azaltmak için uygulanabilir adımlar özetliyor:

• Yüksek PSR ve geniş bant genişliği ile ADC'leri seçin; PSRR vs. frekans arsasını veri sayfasında gözden geçirin.
• Analog ray nesil için düşük doz LDO'ları kullanın; geçiş düzenleyicileri doğrudan LDO ve gürültüsüz filtreleme takip etmeden doğrudan güçlendirme ADC'leri devre dışı bırakmaktan kaçının.
• ADC güç pins'e mümkün olduğunca fiziksel olarak sığarsak, birden fazla değer kullanarak (örneğin, 100 pF, 1 nF, 0.1 μF, 10 μF).
• Katı, sürekli bir zemin uçağı uygulayın ve analog ve dijital geri dönüşler için yıldız zeminini kullanın.
• Ferrite arıları veya izolasyon dirençlileri ile ayrı analog ve dijital güç alanları.
• ADC girişi referans gerilimi temiz bir tampon veya referans IC ile bir RC filtre izledi.
• Özel bir temiz saat kaynağı ve uygun bir sonlandırma kullanarak saat jitter'i ayırın; güç tedariki aracılığıyla saat gürültü çiftleri.
• Enerji teslimat ağı (PDN) PCB üretiminden önce engel ve rezonanslar için dağıtın.
• SNR ve SFDR'yi ölçerek son tasarımı test edin ve gürültü enjeksiyonu olmadan işlem verimliliğini doğrulamayı test edin.

Vaka Çalışması: SNR'yi 16 bit Data Acquisition System'de geliştirmek

ADC örneklemesini, ADC'nin analog demiryolunu destekleyen 5 V tedarikinde, 60 dB'nin teorik olarak en yüksek 96 dB'nin altında iyi bir SNR'nin 17 dB'ye gösterdiği gibi, araştırma aşırı dalgalar (20 mV pk-pk'ta 600 kHz) ADC'nin analog demiryolunu güçlendiren 5 V tedarikinde aşırı dalgalandı.

• Transfer düzenleyicisinden sonra 3.3 V LDO (LT3045) eklendi, 600 kHz'de 60 dB'yi geri alma fırsatı sağladı.
• 3,3 V hattı ile seride 2.2 hong dirençli ve zemine 47 μF tantalum kapasitor, yaklaşık 1.5 kHz'nin keserek düşük frekanslı bir filtre oluşturmak.
• 0.1 μF decoupling cleor 1 μF X7R ile ADC'ye bitişik ve yüksek frekanslı reddedilmeyi geliştirmek için 10 nF C0G kapasiteli ekledi.
• ADC'nin dijital tedarik gürültülerini ayrı bir LDO ekleyerek azalttı ve bir ferrite bead ile dijital zemin geri dönüşünü ihlal etti.

Bu değişikliklerden sonra, ölçülen SNR 94 dB'ye yükseldi - veri tablosu limitine yakın - ve retorik gürültü zemin 12 dB tarafından düştü. Çözüm minimum PCB alanı ve bileşen maliyeti ekledi, bu sistematik gürültü masyonunu göstermek hem pratik hem de etkili.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Power Supply gürültü, ADC tabanlı sistem tasarımında pervask bir meydan okumadır, doğrudan doğruyu, dinamik aralıkları ve lineerliği etkiler - eksik kodlardan vazgeçmek ve SNR'yi olağanüstü tonlar ve zamanlama hataları azaltmak - en dikkatli eşleştirilmiş analog ön uçları bile. PSRRR ve dalgalama mekanizmalarının aşırı derecede iyileştirici bir şekilde kullanılmasını sağlayarak, mühendisler, yüksek çözünürlükte bir performansa sahip olan bir teknikle ilgili olarak çok katmanlı bir uygulama sağlar.Decoupling cleors, LDOs, doğru zemin, ayrı güç domainleri anlamak için, doğrulanmış bir şekilde optimize etmek için, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan bir performansa sahip olmak için.

ADC güç tedarik tasarımı ve gürültü karakterizasyonu hakkında daha fazla okuma için, başvuru notları [[0)Analog Cihazları[DDK 1: 1) ve [[Döneticileri:2)Texas Instruments'ın ADCs)'te reddedilmesine yol açıyor.