放大器電源抑制比的特點(diǎn)及提升抑制性能的方法

相比線性電源而言，開(kāi)關(guān)電源具有高效率、小體積等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣發(fā)應(yīng)用在各類(lèi)電子產(chǎn)品。但是在精密測(cè)量電路中，開(kāi)關(guān)電源對(duì)模擬信號(hào)的處理電路有很大挑戰(zhàn)，不可忽視的原因是放大器的交流電源抑制能力有限。本篇討論放大器電源抑制比的交流性能評(píng)估方法，以及提升抑制性能的方法。

放大器電源抑制比的具有兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）電源抑制比隨頻率的上升而明顯下降。

（2）放大器正、負(fù)電源的共模抑制比，隨頻率的上升抑制能力存在差異。

如圖2.61為ADA4077電源抑制比與頻率的關(guān)系，可以觀察到正電源抑制比和負(fù)電源抑制比的曲線不重合。在±15V電源供電時(shí)，在100Hz處的負(fù)電源電源抑制比約為100dB，正電源電源抑制比約為90dB時(shí)。當(dāng)頻率超過(guò)100KHz時(shí)，正、負(fù)電源抑制比大幅下降40~60dB。

圖2.61 ADA4077電源抑制比與頻率的關(guān)系

如圖2.62，使用頻率為400KHz的開(kāi)關(guān)電源，產(chǎn)生具有20mV紋波的+5V電壓為ADA4077供電。參閱圖2.61，ADA4077在400KHz處的共模抑制比約為20dB。所以在ADA4077輸入端產(chǎn)生幅值為2mV，頻率為400KHz的噪聲，折算到輸出端是幅值為4mV頻率為400KHz噪聲。

圖2.62 ADA4077電源抑制比評(píng)估電路

所以在開(kāi)關(guān)電源供電精密電路中，依靠放大器自身提高電源抑制比的方式十分有限。提升電路電源抑制能力的方法有兩種：

1.電源路徑增加濾波；

如圖2.67。通常為電解電容、陶瓷電容的組合，部分情況可能增加鐵氧體磁珠。其中，C1用作瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)抑制低頻噪聲，通常為10~100μF的電解電容。C2用作抑制高頻電源噪聲，通常為0.01~0.1μF低電感表面貼裝陶瓷電容，并且PCB布局位置緊鄰IC電源引腳擺放，然后通過(guò)最短線路連接到大面積、低阻抗的地平面才能有效。

圖2.67電源去耦電路

2.放大器優(yōu)先使用線性電源進(jìn)行供電。

在選擇線性電源時(shí)需要，重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)關(guān)電源的頻率以及待選線性電源在該頻率附近的電源抑制比性能。

如圖4.2（a）是廣大工程師所熟知的LDO 1117電源抑制比與頻率關(guān)系，可見(jiàn)1117在1KHz處電源抑制比最強(qiáng)，達(dá)到84dB，頻率為100KHz的電源抑制比僅為40dB，高于100KHz的電源抑制比性能沒(méi)有提供。

而圖4.2（b）是筆者在精密測(cè)量領(lǐng)域成功推廣的線性電源LT3045的電源抑制比與頻率關(guān)系，在1KHz處電源抑制比超過(guò)110dB，在1MHz處電源抑制比至少為76dB。

圖4.2 1117與LT3045電源抑制比

如圖4.3（a）為 LT3045 的電源抑制比仿真電路，結(jié)果如圖4.3（b），頻率低于1KHz時(shí)，電源抑制比普遍高于100dB，頻率為10~400KHz時(shí)，電源抑制比在77dB左右，并且目前小體積DCDC開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到1~2MHz，在該范圍內(nèi)，電源抑制比明顯增強(qiáng)。

圖4.3 LT3045 PSRR仿真

因此，如果將LT3045 添加到圖2.62的供電電路中，開(kāi)關(guān)電源中20mV 400KHz的紋波信號(hào)將被抑制在2μV左右，大大降低開(kāi)關(guān)電源紋波對(duì)放大器電路的影響。

如下，聊一個(gè)LDO電源抑制比改善的實(shí)例，2018年1月12日，筆者拜訪某創(chuàng)業(yè)孵化基地的團(tuán)隊(duì)，了解到他們正在研發(fā)一款控制手抖動(dòng)范圍的設(shè)備。項(xiàng)目是2016年底啟動(dòng)，由海外專家團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)軟件與算法，孵化基地的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)硬件研發(fā)。樣機(jī)中使用ADI極低噪聲、高性能的MEMS傳感器，研發(fā)1年的測(cè)試情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期，所能控制的手抖動(dòng)范圍在500μm。

筆者與工程師溝通硬件情況，發(fā)現(xiàn)傳感器板卡與電機(jī)控制板卡使用同一開(kāi)關(guān)電源，然后通過(guò)1117降壓到3.3V 供給傳感器板卡。筆者建議工程師整改樣機(jī)電源系統(tǒng)的架構(gòu)，獨(dú)立處理控制部分與傳感部分的電源。并推薦傳感器板增設(shè)低噪聲，電源抑制能力超強(qiáng)的LT3045/3042。

工程師當(dāng)場(chǎng)決定先申請(qǐng)LT3042樣品整改傳感器板卡電源，3月初工程師反饋改版后的效果顯著，樣機(jī)測(cè)試抖動(dòng)范圍小于100μm，已經(jīng)開(kāi)始整改控制部分電源，并且工程師有信心將抖動(dòng)范圍控制在小于50μm的水平。同年5月中旬，項(xiàng)目在海外臨床試驗(yàn)取得良好反饋，同年8月項(xiàng)目完成孵化成立公司，后期由專門(mén)負(fù)責(zé)醫(yī)療領(lǐng)域的同事繼續(xù)支持。

本篇文章鋪墊到這里，如果再不直說(shuō)可能還有讀者看不出，這就是一個(gè)LT3042/3045的廣告。就問(wèn)大家加的硬不硬，硬不硬？關(guān)于LT304x系列LDO應(yīng)用還有很多實(shí)例，這里就不贅述。關(guān)于LT3045更全面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，請(qǐng)參考電源網(wǎng)資深版主黃亭先生的《探索微弱信號(hào)的先行者——ADI超低噪聲穩(wěn)壓器LT3045實(shí)測(cè)》。

最后，關(guān)于放大器電源抑制比與頻率再次提醒一下工程師，在DCDC電源供電的信號(hào)處理電路中，不能僅靠放大器自身電源抑制能力，簡(jiǎn)單有效的方式是增加高電源抑制比的線性電源LDO。但是，需要重點(diǎn)核實(shí)該LDO，在所使用的DCDC對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率處的抑制能力，不能僅僅查看LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)中給出典型參數(shù)，首頁(yè)的篇幅有限通常僅僅提供在1KHz，10KHz處的電源抑制比參數(shù)，這個(gè)頻率遠(yuǎn)低于目前DCDC的開(kāi)關(guān)頻率，不能有效評(píng)估LDO效用。

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