【導讀】在精密電子系統中，電源噪聲一直是工程師面臨的核心挑戰。例如，當模數轉換器（ADC）的輸出出現隨機偏差時，其根源往往是供電軌上的噪聲耦合到了壓控振蕩器（VCO），進而引發時鐘抖動，導致采樣時序錯誤。傳統方案需依賴低壓差線性穩壓器（LDO）來抑制噪聲，但LDO在高壓差或大電流場景下效率低下，發熱嚴重。近年來，開關模式電源（SMPS）通過Silent Switcher?架構和電磁干擾屏蔽技術實現了突破，能夠直接為噪聲敏感型器件（如高速ADC、鎖相環）供電，同時保持與LDO相媲美的信噪比（SNR）。
摘要
在精密電子系統中，電源噪聲一直是工程師面臨的核心挑戰。例如，當模數轉換器（ADC）的輸出出現隨機偏差時，其根源往往是供電軌上的噪聲耦合到了壓控振蕩器（VCO），進而引發時鐘抖動，導致采樣時序錯誤。傳統方案需依賴低壓差線性穩壓器（LDO）來抑制噪聲，但LDO在高壓差或大電流場景下效率低下，發熱嚴重。近年來，開關模式電源（SMPS）通過Silent Switcher?架構和電磁干擾屏蔽技術實現了突破，能夠直接為噪聲敏感型器件（如高速ADC、鎖相環）供電，同時保持與LDO相媲美的信噪比（SNR）。
引言
您是否遇到過ADC的輸出結果出現輕微偏差和隨機變化的情況？這可能是由ADC系統內部的噪聲引起的。一個常見的噪聲源是壓控振蕩器(VCO)的供電軌。此供電軌上的噪聲可能會給時鐘信號帶來抖動，而時鐘信號隨后會用作ADC的采樣時鐘。如果抖動較大，ADC轉換就可能出現誤差，進而產生異常數據。
眾所周知，SMPS在電壓轉換過程中需要進行開關操作，因此不可避免地會產生噪聲。如果將SMPS用于時鐘的供電軌，就會將噪聲引入ADC系統。為了盡可能減小誤差，通常采用具備噪聲抑制能力的LDO穩壓器為噪聲敏感型器件供電。
ADI公司的LTM8080降壓型穩壓器SMPS等器件，集成了后調節雙LDO穩壓器和噪聲抑制技術。類似于獨立的LT3045LDO穩壓器，這款SMPS器件能夠提供低噪聲供電軌。
為什么必須關注供電軌噪聲？
供電軌噪聲是能夠對系統性能產生顯著影響的一個關鍵因素。圖1中，LT3045 LDO穩壓器用作低噪聲供電軌，為ADF4372頻率合成器的VCO供電。然后，ADF4372為AD9208 ADC和FPGA板生成時鐘信號。圖2顯示了從LT3045 LDO穩壓器輸出獲得的相位噪聲圖，此圖可作為比較備選供電軌方案的基準。
圖1.VCO/ADC設置的基本框圖
圖2.作為基準的LT3045相位噪聲圖（1 GHz，2 MHz范圍）
相較于基準設計，如果采用噪聲較高的供電軌，噪聲頻譜圖會不太理想，如圖3所示，其中邊帶略有升高。當這些邊帶達到一定水平時，會給ADC采樣時鐘的上升沿帶來抖動（圖4）。結果，ADC會在非預期的時間點對模擬輸入信號進行采樣，導致生成包含位錯誤的異常數據字。
位錯誤的發生可能會造成顯著的后果，尤其是當位錯誤很嚴重時。ADC的實際數據字與預期數據字的偏差可能會觸發系統出現意外行為。例如，如果數據字指示的輸入電壓高于實際電壓，器件可能會在系統尚未準備好的情況下被提前激活。在安全關鍵應用中，這種意外狀態可能會導致安全特性被禁用。
圖3.高噪聲SMPS的相位噪聲圖示例（1.23 GHz，2 MHz范圍）
得益于EMI噪聲屏蔽技術，SMPS現在可以放置在LDO穩壓器附近，而不會將開關噪聲耦合到LDO穩壓器的輸出端。如果將SMPS和LDO穩壓器封裝在一起，除了降低噪聲之外，還能獲得其他優勢。參見表1。
圖4.高噪聲VCO供電軌引起ADC采樣時鐘邊沿抖動（VCO輸出），進而造成ADC采樣誤差
單個封裝中集成開關降壓轉換器和LDO穩壓器的優勢
表1.SMPS + LDO穩壓器相較于獨立LDO穩壓器的優勢
將關降壓轉換器(SMPS)與LDO穩壓器集于一體的器件具備多項優勢。它可以由12 V或24 V等標準供電軌供電，輸入電源非常靈活。此外，可以設計中間總線來維持一個高于LDO穩壓器輸出的特定電壓，這樣即使器件由較高電壓供電也能穩定工作。這種“電壓輸入到輸出控制”(VIOC)特性通過控制上游SMPS的輸出，確保LDO穩壓器具有設定的裕量。要想在提升效率的同時保持電源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。
SMPS與LDO穩壓器的組合，使得對噪聲敏感的布線可以在器件內部電路中進行。因此，只需在PCB層面應用基本布線技術，即足以優化器件的噪聲性能。
此外，得益于完全集成的EMI噪聲屏蔽，片內SMPS的噪聲不是向各個方向輻射，而是被引導至遠離LDO穩壓器的方向。這項技術使得開關穩壓器可以放置在LDO穩壓器附近，而不會影響LDO穩壓器的噪聲抑制能力。因此，這款完全集成的器件可以布置在過去因噪聲問題而不適合布置SMPS的區域。
如果器件的SMPS部分能夠提供比LDO穩壓器額定值更大的電流，則可以將多個LDO穩壓器集成到封裝中。此外，外部LDO穩壓器可以連接到中間總線，從而為用戶的設計提供更大的靈活性。
為了確保符合器件數據手冊中提到的規格，我們對這款完全集成的SMPS加LDO穩壓器組合器件進行了全面的測試，以保證器件滿足規定的要求。
噪聲低如LDO穩壓器的開關降壓轉換器
與基準LDO穩壓器方案相比，LTM8080的輸入電源電壓靈活性更大，而且功率損耗更低。圖5展示了采用LTM8080的示例解決方案，體現了設計靈活性。LTM8080與共封裝的降壓穩壓器和LDO穩壓器一起，集成了EMI噪聲屏蔽，能夠有效引導輻射噪聲的傳播方向。
圖5.LTM8080解決方案取代了ADF4372SD2Z評估板上的兩個LT3045 LDO穩壓器，而且支持可選的用戶自定義第三LDO穩壓器輸出，以實現更大的系統靈活性。
比較LTM8080和LT3045的噪聲抑制能力，兩者的測量結果幾乎完全一致。表2展示了SNR比較結果，圖6顯示了相位噪聲圖。因此，LTM8080可用作LT3045的替代方案，既能有效減少位錯誤，又能很好地抑制噪聲。
表2.SNR比較：LTM8080對比LT3045
圖6.相位噪聲圖：LTM8080（左）與LT3045（右）
結論
測試結果清楚地表明，具備先進噪聲抑制技術（例如EMI噪聲屏蔽）的SMPS器件可以有效取代LDO穩壓器來為噪聲敏感型供電軌供電。盡管概念驗證主要針對VCO供電軌，但集成SMPS和LDO穩壓器的解決方案所具備的設計靈活性，也能惠及許多其他對噪聲敏感的應用。
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