ADC电源的噪声要求

电源

到目前为止，在这个博客系列中，我们已经研究了ADC的电源抑制比（PSRR）和先前功率级的PSRR要求，以确保最小的噪声。在进一步分析电源之前，我们需要了解电源噪声对ADC的影响。

在本博客中，我们将研究ADC电源的热噪声和闪烁噪声要求，并得出其最低要求，以确保出色的信噪比（SNR）。

给定ADC的SNR，我们可以用公式1计算均方根（RMS）输入参考噪声：

哪里：
V Noise是输入参考电压噪声
SNR是以dB为单位的信噪比
V Fullscale是所考虑的ADC的满量程

噪声的起源并不像它所指的带宽那么重要，因此考虑到ADC模拟带宽（ABW）可以建模为一阶巴特沃兹滤波器，噪声功率带宽（NPBW）可以表示为公式2：

请注意，这种方法虽然从完整的模拟带宽的角度来看是准确的，但从ADC的使用来看是不正确的。使用ADC时，您将始终在其中一个奈奎斯特频段工作，最常见的是从DC到开关频率的一半的第一个奈奎斯特频带（），因此噪声将始终折叠在带宽的频带中。

然后我们可以使用公式3计算噪声密度：

其中F S是ADC时钟

举个例子，让我们从一个理想的ADC开始，噪声仅仅是由量化引起的。SNR可以表示为等式4。

其中n是位数。

限制自己的量化噪声使我们能够对理想的ADC电源提出更糟糕的要求，并为我们提供参考。

表1反映了使用等式1,3和4计算各种理想ADC的SNR和输入参考输入电压噪声密度。

V Fullscale = 2Vpp		给定F S / 2带宽的输入参考噪声密度
比特数	SNR	1kHz（nV /√Hz）	10kHz（nV /√Hz）	100kHz（nV /√Hz）	500kHz（nV /√Hz）	1MHz（nV /√Hz）	5MHz（nV /√Hz）	10MHz（nV /√Hz）	50MHz（nV /√Hz）	100MHz（nV /√Hz）
8	50				4472.1	3162.3	1414.2	1000.0	447.2	316.2
10	62.06		7888.6	2494.6	1115.6	788.9	352.8	249.5	111.6	78.9
12	74.12	6223.0	1967.9	622.3	278.3	196.8	88.0	62.2	27.8	19.7
14	86.18	1552.4	490.9	155.2	69.4	49.1	22.0	15.5	6.9	4.9
16	98.24	387.3	122.5	38.7	17.3	12.2	5.5	3.9	1.7	1.2
18	110.3	96.6	30.5	9.7	4.3	3.1
20	122.36	24.1	7.6	2.41
22	134.42	6	1.9

表1：第一奈奎斯特频带中理想ADC的等效输入参考电压噪声密度
在表1中，我们在左边是第一列中考虑的理想ADC的位数。在2 次专栏中，我们有一个理想ADC信噪比。这是直接从式（4）来的每个后续列的对应参照的是2的奈奎斯特频率的ADC等效输入噪声第二行。

有了电压噪声密度，我们就可以计算出电源对信号链信号的贡献。

再次使用ADC3444作为示例，我们早先确定模拟电源是最敏感的，最小的坏情况PSRR是16dB。有关典型值和“ ADC电源抑制比 ”博客文章，请参见图1进行讨论。

图1：ADC3444模拟VDD（AVDD）PSRR与频率的关系

下一步是使用具有0dB PSRR的ADC首先确定电源允许的噪声，以计算最坏情况。对于这一部分，我们提出几个的LDO，具有100μV的噪音RMS，50个μV RMS，20个μV RMS，10个μV RMS和5个μV RMS。这些数字大致对应于ti DC-DC转换器或无的LDO噪声规范（100个μV RMS）; 所述TPS737 LDO（50个μV RMS）; 在TPS7A 8101 ; 所述TPS74x LDO家庭（20个μV RMS）; 所述TPS717 LDO（10个μV RMS）和TPS7A83，LP5907，TPS7A47的LDO（5个μV RMS）。

噪声（或在这种情况下为电压噪声密度）以RMS方式增加，如公式5所示。

PSRR为0dB，表1中，电源的噪声积分带宽设置为10Hz至100kHz，可以重写为表2：

V Fullscale = 2Vpp	噪音密度	选择电源噪声的总噪声
比特数	50MHz（nV /√Hz）	5μV RMS（内华达州/√Hz的）	10μV RMS（内华达州/√Hz的）	20μV RMS（内华达州/√Hz的）	50μV RMS（内华达州/√Hz的）	100μV RMS（内华达州/√Hz的）
8	316.2	316.6	317.8	322.5	353.6	447.2
10	78.9	80.5	85.0	101.1	176.7	325.9
12	19.7	25.2	37.2	66.2	159.3	316.9
14	4.9	16.6	32.0	63.4	158.2	316.3
16	1.2	15.9	31.6	63.3	158.1	316.2

表2：50MHz奈奎斯特带宽的ADC和电源噪声组合

在表2中，我们选择了表1中的50MHz奈奎斯特频带，如第2列所示，并将第一列保持为ADC位数。现在，每个附加列都包含第2行中引用的ADC和噪声电源的结果。

在表3中，我们进一步向前移动，并将表2中的结果表示回SNR编号，其中包括ADC噪声和电源噪声。

现在我们可以很容易地将SNR与标称SNR相结合。对于理想的8位ADC，一个50μV RMS LDO将被证明是足够的。TPS7A81或TPS717 LDO将是一个完美的匹配。请注意，所述噪声数提供以上是但系数到输出电压，并且可以被表示为μV RMS / V OUT。因此，对于3.3V输出电压，将需要更低噪声的LDO。

高位数ADC对电源的要求更为严格。

满刻度= 2Vpp	噪音密度	选择电源噪声的总噪声
比特数	50MHz基带的SNR（dB）	5μV RMS （D b）	10μV RMS （D b）	20μV RMS （D b）	50μV RMS （D b）	100μV RMS （D b）
8	50.0	49.99	49.96	49.83	49.03	46.99
10	62.1	61.9	61.4	59.9	55.1	49.7
12	74.1	72.0	68.6	63.6	56.0	50.0
14	86.2	75.6	69.9	64.0	56.0	50.0
16	98.2	76.0	70.0	64.0	56.0	50.0

表3：等效ADC SNR一次包括50MHz基带的电源噪声

对我们来说幸运的是，ADC也有一些PSR，需要在元件选择中加以考虑。

在ADC3444 AVDD具有两个PSR曲线，一个DC周围具有高PSR和一个围绕所述信号音，这是低得多的。对于ADC3444的AVDD，电源噪声有两种进入模式可降低ADC SNR。两种模式的主要术语是信号音周围的噪声，因为它将是28dB标称PSR衰减的电源噪声的两倍。

DC周围的项不具有任何乘法系数，PSR为50dB。

这导致我们进入表4a和4b：

ADC输入参考噪声密度	20.2 nV / rtHz（73.9dB SNR）
ADC最坏情况PSRR（dB）	50分贝
电源噪音	组合噪声（nV /√Hz）	组合SNR（dBFS）
5μV RMS	20.2	73.9
10μV RMS	20.1	73.9
20μV RMS	20.2	73.9
50μV RMS	20.2	73.9
100μV RMS	20.2	73.9

表4a：电源在DC附近增加的噪声

ADC输入参考噪声密度	20.2 nV / rtHz（73.9dB SNR）
ADC最坏情况PSRR（dB）	28分贝
电源噪音	组合噪声（nV /√Hz）	组合SNR（dBFS）
5μV RMS	20.2	73.9
10μV RMS	20.2	73.9
20μV RMS	20.4	73.8
50μV RMS	21.2	73.5
100μV RMS	23.8	72.5

表4b：电源信号音周围增加的噪声

总之，电源闪烁噪声会显着降低ADC的性能，并且需要仔细选择LDO。在的情况下ADC3444，总的电源噪声应不超过20μV RMS用于对ADC的SNR规格最小的影响。

这里用高速流水线转换器证明了这一点，但它也适用于所有ADC，Delta-Sigma和SAR架构。

在这篇博客中，我展示了电源噪声对ADC敏感电源轨的影响。在我即将发布的博客中，我将探讨后滤波策略，并最终为ADC3444开发完整的高性能电源解决方案。

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