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放大器电源抑制比与频率的影响,工程师都该了解

2020-11-24 09:20:54  3400 放大器 开关电源 电源设计
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相比线性电源而言,开关电源具有高效率、小体积等优势,已经广发应用在各类电子产品。但是在精密测量电路中,开关电源对模拟信号的处理电路有很大挑战,不可忽视的原因是放大器的交流电源抑制能力有限。本篇讨论放大器电源抑制比的交流性能评估方法,以及提升抑制性能的方法。

放大器电源抑制比的具有两个特点:
(1)电源抑制比随频率的上升而明显下降。
(2)放大器正、负电源的共模抑制比,随频率的上升抑制能力存在差异。

如图 2.61 为 ADA4077 电源抑制比与频率的关系,可以观察到正电源抑制比和负电源抑制比的曲线不重合。在±15V 电源供电时,在 100Hz 处的负电源电源抑制比约为 100dB,正电源电源抑制比约为 90dB 时。当频率超过 100KHz 时,正、负电源抑制比大幅下降 40~60dB。


图 2.61 ADA4077 电源抑制比与频率的关系

如图 2.62,使用频率为 400KHz 的开关电源,产生具有 20mV 纹波的+5V 电压为 ADA4077 供电。参阅图 2.61,ADA4077 在 400KHz 处的共模抑制比约为 20dB。所以在 ADA4077 输入端产生幅值为 2mV,频率为 400KHz 的噪声,折算到输出端是幅值为 4mV 频率为 400KHz 噪声。


图 2.62 ADA4077 电源抑制比评估电路

所以在开关电源供电精密电路中,依靠放大器自身提高电源抑制比的方式十分有限。提升电路电源抑制能力的方法有两种:

1. 电源路径增加滤波;
如图 2.67。通常为电解电容、陶瓷电容的组合,部分情况可能增加铁氧体磁珠。其中,C1 用作瞬态电流的电荷库抑制低频噪声,通常为 10~100μF 的电解电容。C2 用作抑制高频电源噪声,通常为 0.01~0.1μF 低电感表面贴装陶瓷电容,并且 PCB 布局位置紧邻 IC 电源引脚摆放,然后通过最短线路连接到大面积、低阻抗的地平面才能有效。


图 2.67 电源去电路

2. 放大器优先使用线性电源进行供电。
在选择线性电源时需要,重点关注开关电源的频率以及待选线性电源在该频率附近的电源抑制比性能。

如图 4.2(a)是广大工程师所熟知的 LDO 1117 电源抑制比与频率关系,可见 1117 在 1KHz 处电源抑制比最强,达到 84dB,频率为 100KHz 的电源抑制比仅为 40dB,高于 100KHz 的电源抑制比性能没有提供。

而图 4.2(b)是笔者在精密测量领域成功推广的线性电源 LT3045 的电源抑制比与频率关系,在 1KHz 处电源抑制比超过 110dB,在 1MHz 处电源抑制比至少为 76dB。


图 4.2 1117 与 LT3045 电源抑制比

如图 4.3(a)为 LT3045 的电源抑制比仿真电路,结果如图 4.3(b),频率低于 1KHz 时,电源抑制比普遍高于 100dB,频率为 10~400KHz 时,电源抑制比在 77dB 左右,并且目前小体积 DCDC 开关频率可以达到 1~2MHz,在该范围内,电源抑制比明显增强。


图 4.3 LT3045 PSRR 仿真

因此,如果将 LT3045 添加到图 2.62 的供电电路中,开关电源中 20mV 400KHz 的纹波信号将被抑制在 2μV 左右,大大降低开关电源纹波对放大器电路的影响。

如下,聊一个 LDO 电源抑制比改善的实例,2018 年 1 月 12 日,笔者拜访某创业孵化基地的团队,了解到他们正在研发一款控制手抖动范围的设备。项目是 2016 年底启动,由海外专家团队负责软件与算法,孵化基地的团队负责硬件研发。样机中使用 ADI 极低噪声、高性能的 MEMS 传感器,研发 1 年的测试情况远远达不到预期,所能控制的手抖动范围在 500μm。

笔者与工程师沟通硬件情况,发现传感器板卡电机控制板卡使用同一开关电源,然后通过 1117 降压到 3.3V 供给传感器板卡。笔者建议工程师整改样机电源系统的架构,独立处理控制部分与传感部分的电源。并推荐传感器板增设低噪声,电源抑制能力超强的 LT3045/3042。

工程师当场决定先申请 LT3042 样品整改传感器板卡电源,3 月初工程师反馈改版后的效果显著,样机测试抖动范围小于 100μm,已经开始整改控制部分电源,并且工程师有信心将抖动范围控制在小于 50μm 的水平。同年 5 月中旬,项目在海外临床试验取得良好反馈,同年 8 月项目完成孵化成立公司,后期由专门负责医疗领域的同事继续支持。

最后,关于放大器电源抑制比与频率再次提醒一下工程师,在 DCDC 电源供电的信号处理电路中,不能仅靠放大器自身电源抑制能力,简单有效的方式是增加高电源抑制比的线性电源 LDO。但是,需要重点核实该 LDO,在所使用的 DCDC 对应的开关频率处的抑制能力,不能仅仅查看 LDO 数据手册首页中给出典型参数,首页的篇幅有限通常仅仅提供在 1KHz,10KHz 处的电源抑制比参数,这个频率远低于目前 DCDC 的开关频率,不能有效评估 LDO 效用。

张静静 2020-11-24 09:50:47
感谢楼主的分享
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王栋春 2020-11-24 11:11:49
资料非常不错   学习了
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小米 2020-11-27 10:26:18
感谢分享 学习了
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项胜宇 2020-11-27 10:41:24
有需要用到:固态继电器,光耦(全系列),表贴式和插件式led(RGB  UI  IR),及数字显示led红外接受模块,光开关,环境光传感器, 都可提需求送样品~  项13048841448
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南生 2020-12-29 16:36:53
谢谢楼主分享,很实用。
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