如何通過低噪聲和低紋波設(shè)計(jì)技術(shù)來增強(qiáng)電源和信號(hào)完整性

工程師在為采用時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器的醫(yī)療應(yīng)用、測試和測量以及無線基礎(chǔ)設(shè)施的噪聲敏感型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是如何提高準(zhǔn)確度和精度，并最大限度降低系統(tǒng)噪聲。鑒于不同的人對(duì)“噪聲”這個(gè)術(shù)語有不同的理解，我在此聲明，本篇文章講述的噪聲是指電路中電阻器和晶體管所產(chǎn)生的低頻熱噪聲。您通常可將噪聲頻譜密度曲線（以微伏/平方根赫茲為單位）中10Hz至100kHz帶寬內(nèi)的噪聲視為集成輸出噪聲（以均方根毫伏為單位）。電源噪聲會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能并引起時(shí)鐘抖動(dòng)。

以前，對(duì)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器供電時(shí)，先后采用直流/直流轉(zhuǎn)換器（或模塊）、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)（例如TPS7A94、TPS7A82、TPS7A84、TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54）和鐵氧體磁珠濾波器的布置，如圖 1 所示。這種設(shè)計(jì)方法最大限度減少了電源噪聲和紋波，并在負(fù)載電流低于 2A 左右時(shí)保持良好的性能。然而，隨著負(fù)載增加，LDO 中的功率損耗會(huì)引發(fā)效率和熱管理問題，例如，后置穩(wěn)壓 LDO 在典型的模擬前端應(yīng)用中會(huì)增加 1.5W 的功率損失。低噪聲的高效設(shè)計(jì)是不是無法實(shí)現(xiàn)？倒也未必。

圖 1：使用直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器、LDO 和鐵氧體磁珠濾波器的典型低噪聲架構(gòu)

使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器或模塊替換 LDO

防止產(chǎn)生功率損耗的一種方法是最大限度減少通過 LDO 的壓降。然而，這種方法會(huì)對(duì)噪聲性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，電流更高的 LDO 通常也更大，這會(huì)增加設(shè)計(jì)尺寸和成本。既能確保低噪聲又不會(huì)增加功率損耗的一種更為有效的方法是，使用低噪聲 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器或模塊代替設(shè)計(jì)中的 LDO，如圖 2 所示。

圖 2：使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器（無 LDO）

我知道您的疑問：移除降低噪聲的主要器件如何還能提供低噪聲電源？其實(shí)，許多 LDO 在帶隙基準(zhǔn)處都具有一個(gè)低通濾波器，用于最大限度減少進(jìn)入誤差放大器的噪聲。TPS62912和TPS62913系列的低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器以及 TPSM82912 和TPSM82913模塊使用降噪/軟啟動(dòng)引腳連接電容器，并與集成的 Rf和外部連接的CNR/SS 組成一個(gè)低通電阻器/電容器濾波器，如圖 3 所示。本質(zhì)上，這種結(jié)構(gòu)模擬了 LDO 中帶隙低通濾波器的性能。如果 TPS62913 或 TPSM82913 仍無法滿足您的低噪聲要求，您可以使用具有更低壓降和功耗的低噪聲 LDO（如 TPS7A94），這樣仍可實(shí)現(xiàn)超低噪聲。 應(yīng)用簡報(bào) SBVA099 對(duì)此進(jìn)行了更詳細(xì)的說明。

圖 3：具有帶隙噪聲過濾功能的低噪聲降壓方框圖

如何降低輸出電壓紋波？

所有直流/直流轉(zhuǎn)換器都會(huì)在其開關(guān)頻率下產(chǎn)生輸出電壓紋波。在精密系統(tǒng)中，噪聲敏感型模擬電源軌需要超低的電源電壓紋波來更大限度地減少頻譜中的頻率雜散，電源電壓紋波通常取決于DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率、電感值、輸出電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。為減少這些元件產(chǎn)生的紋波，工程師通常使用 LDO 和/或小型鐵氧體磁珠和電容器組成 π 型濾波器，從而更大限度減小負(fù)載紋波。TPS62912 和 TPS62913 等低紋波降壓轉(zhuǎn)換器以及 TPSM82913 模塊通過集成鐵氧體磁珠補(bǔ)償和遙感反饋功能，充分利用鐵氧體磁珠濾波器。通過利用鐵氧體磁珠的電感和附加的輸出電容器，消除了輸出電壓紋波中的高頻分量，并將紋波降低了約 30dB，如圖 4 所示。

圖 4：使用鐵氧體磁珠濾波器之前的輸出電壓紋波(a)；使用鐵氧體磁珠濾波器之后的輸出電壓紋波(b)

結(jié)論

通過集成可降低系統(tǒng)噪聲和紋波的特性，低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器可幫助工程師實(shí)現(xiàn)不使用 LDO 的低噪聲電源解決方案。當(dāng)然，不同應(yīng)用所需的噪聲級(jí)不同，而且不同的輸出電壓需要的性能也不同。所以，您只能為設(shè)計(jì)選擇合適的低噪聲架構(gòu)。如果您想簡化噪聲敏感型模擬電源設(shè)計(jì)、降低功率損耗并縮小整體設(shè)計(jì)尺寸，請(qǐng)考慮使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器。