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在運放電路設計中降低電源噪聲的主要措施

噪聲可以是隨機信號或重復信號,內部或外部產(chǎn)生,電壓或電流形式帶或寬帶,高頻或低頻。(在這里,我們將噪聲定義為任何在運放輸出端的無(wú)用信號)

噪聲通常包括器件的固有噪聲和外部噪聲,固有噪聲包括:熱噪聲、散彈噪聲和低頻噪聲(1/f噪聲)等;外部的噪聲通常指電源噪聲、空間耦合干擾等,通常通過(guò)合理的設計可以避免或減小影響。降低外部噪聲的影響對發(fā)揮低噪聲運放的性能至關(guān)重要。

常見(jiàn)外部噪聲源


電源紋波

在全波整流的線(xiàn)性穩壓供電的電路中,100Hz紋波是主要的電源噪聲,對于運放電路,100Hz噪聲電平通常要求控制在10nV-100nV(RTI)內,這取決于三個(gè)因素:運放在100Hz時(shí)的電源抑制比(PSRR),穩壓器的紋波抑制比及穩壓器的輸入濾波電容的大小。

圖1是ADI高壓放大器OP77的PSRR-頻率曲線(xiàn),可以看出,OP77在100Hz時(shí)PSRR大約是76dB,要獲得不大于100nV(RTI)的性能,供電電源的紋波必須小于0.6mV。常用的三端穩壓一般能提供大約60dB的紋波抑制能力,在這種情況下,穩壓器的輸入濾波電容必須足夠大,以將輸入端的紋波限制在0.6V以下。


電源去耦

典型的串聯(lián)穩壓器供電的電源中包含有幅度為150uV,頻率范圍為100Hz-100KHz的噪聲,開(kāi)關(guān)型電源更嚴重,運放的PSRR在高頻時(shí)以20dB/Decade的速度降低,通過(guò)在電源腳加RC或LC去耦網(wǎng)絡(luò ),能濾除大部分噪聲,電路形式如圖3。在使用RC去耦時(shí),應該注意負載電流的變化會(huì )導致對電源腳上電壓的調制。


電源調整率

任何電源電壓的變化都會(huì )引起運放輸入偏置電流的變化,圖1中OP77的PSRR在DC時(shí)是126dB(0.5uV/V),電源電壓的變化是一個(gè)潛在的低頻噪聲源。在低噪聲運放的應用中,降低電源的紋波和提高電源的調整率都很重要,電源調整率不足通常會(huì )引起討厭的低頻噪聲。

開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很?chē)乐氐脑肼曉?,下圖是典型的開(kāi)關(guān)電源輸出端的電壓波形:


可以看出,噪聲頻譜既包含開(kāi)關(guān)頻率及其諧波成分,還包含開(kāi)關(guān)回路諧振引起的阻尼振蕩的高頻成分,從幾十KHz一直延續到幾十MHz,而普通的運放在幾百Hz以上時(shí)PSRR開(kāi)始急劇下降,到幾百KHz時(shí)幾乎為零,此時(shí),出現在輸出端的電源噪聲將很?chē)乐亍?

影響途徑和對策:

除了注意對運放PSRR或CMRR參數的選擇和加強運放供電去耦(如采用RC去耦)外,在開(kāi)關(guān)電源供電設計中,還應注意如下一些方面:

  • 電源中的噪聲可能通過(guò)基準源或PCB的漏電直接耦合到放大器的輸入端。要注意對電壓基準源輸出的濾波,對于PCB漏電,可在信號輸入引線(xiàn)與電源走線(xiàn)間加地線(xiàn)防護;

  • 噪聲可能通過(guò)PCB走線(xiàn)之間的分布電容直接耦合到放大器輸入端,造成干擾。在PCB布線(xiàn)時(shí),要注意電源線(xiàn)與弱信號線(xiàn)不要貼近 平行走線(xiàn),線(xiàn)凈距大于線(xiàn)寬的3倍(3W原則),并在電源線(xiàn)或數字信號線(xiàn)與模擬小信號線(xiàn)之間加地線(xiàn)隔離;

  • 接地處理不當,噪聲通過(guò)公共阻抗影響敏感電路部分。為了防止公共阻抗將電源噪聲引入信號回路,要注意如下幾點(diǎn):接地上避免帶噪聲的大電流流過(guò)前級小信號地;單點(diǎn)接地,電源、模擬、數字電路分開(kāi)接地;布板使用地平面層,zui小化地線(xiàn)阻抗;開(kāi)關(guān)電源輸出從zui后一個(gè)濾波電容的地端引出電源地,避免從濾波電感前的電容的地端引出。


開(kāi)關(guān)管漏極開(kāi)關(guān)電壓驅動(dòng)的位移電流,通過(guò)初次級分布電容,次級電路,次級對大地與雜散電容,大地與初級地之間的雜散電容形成環(huán)路,次級模擬電路中流過(guò)的共模電流流過(guò)不平衡的阻抗轉換成差模,對放大電路造成干擾(如圖6)。共模方式引入的干擾一般為開(kāi)關(guān)噪聲中的高頻分量(數MHz以上)。

措施主要有如下三點(diǎn):

1、提供一條從開(kāi)關(guān)電源次級地返回初級地的低阻抗噪聲旁路通道,通常使用1000p~2200p的安規電容;

2、使用共模扼流圈加強開(kāi)關(guān)電源的輸出的共模濾波;

3、使用隔離技術(shù),zui小化回路中的共模電流。


通過(guò)空間磁場(chǎng)耦合到具有一定環(huán)路面積的信號回路或地線(xiàn)環(huán)中,造成對信號的影響。另外來(lái)自開(kāi)關(guān)電源或市電網(wǎng)絡(luò )的高頻干擾可能通過(guò)空間雜散電容直接耦合到信號回路。

設計中的考慮包括

  • 合理的布局、調整電感線(xiàn)圈或變壓器放置方向、優(yōu)化布線(xiàn),減小關(guān)鍵信號的回路面積,避免形成地環(huán)路可以減小干擾;

  • 雙面或單面板布線(xiàn),注意信號線(xiàn)和地線(xiàn),電源線(xiàn)與地線(xiàn)一定要貼近 平行走線(xiàn);使用1000p電容射頻多點(diǎn)接地,可以兼顧EMC和低頻信噪比的需求;

  • 對敏感電路加屏蔽,注意屏蔽層連接到被保護信號的參考地;

  • 走線(xiàn)設計上注意電源線(xiàn)不要和信號線(xiàn)捆扎在一起。

小結:在運放電路設計中降低電源噪聲的主要措施包括

  • 通過(guò)去耦、濾波等措施降低電源輸出的紋波和噪聲成分

  • 改善設計,提高電源電壓調整率

  • 合理電路結構、考究的PCB布線(xiàn)、合理的走線(xiàn)工藝

  • 選擇在敏感噪聲頻段的PSRR或CMRR較高的器件 


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