我們研究了通過更好的接地技術(shù)和增強的外部電壓基準(zhǔn)來提高模數(shù)轉(zhuǎn)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(fù)雜的領(lǐng)域，對于非常高性能的設(shè)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(fù)雜的理論。相反，讓我們討論一下制造商應(yīng)該了解的有關(guān)為 ADC 供電的基礎(chǔ)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(yīng)，通常由交流電源或開關(guān)偽影饋送。當(dāng)電源控制器看到負(fù)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(guān)調(diào)節(jié)

過去，模擬設(shè)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(diào)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(shè)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(zhuǎn)換過程中損失了大部分功率輸入。

提高效率意味著轉(zhuǎn)向開關(guān)模式電源 (SMPS) 或開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器可以將許多制造商模塊上的 3.3 VDC 轉(zhuǎn)換為適用于模擬電路的 12 VDC。

那么，如果轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(yīng)用

但也許不是。假設(shè)數(shù)字電源后面的開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率為 30 kHz，應(yīng)用程序以 96 kHz 的頻率采樣音頻。30 kHz 開關(guān)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(shè)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(guān)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(qū)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(jié)果。

由于僅對模擬驅(qū)動器和 ADC 的電流需求可能很低，因此小型開關(guān)穩(wěn)壓器可以為大多數(shù)應(yīng)用創(chuàng)建模擬電源軌。最終，為模擬電路添加開關(guān)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(yīng)用，這種簡化的方法可能行不通。許多應(yīng)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(guān)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。