精密模擬電路超低噪聲正負(fù)電源設(shè)計技巧

　　當(dāng)今的一些高精密模擬系統(tǒng)需要低噪聲正負(fù)電壓軌來為精密模擬電路供電，這些電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、雙極放大器等等。如何產(chǎn)生清潔、穩(wěn)定的正負(fù)電壓軌為噪聲敏感型模擬組件供電是擺在我們面前的一個設(shè)計挑戰(zhàn)。

　　通常的解決方案是使用一個產(chǎn)生正軌的正降壓或者升壓開關(guān)電源，然后使用線性穩(wěn)壓器進行后期穩(wěn)壓，以減少開關(guān)電源形成的電壓紋波。使用一個反向開關(guān)電源產(chǎn)生負(fù)軌。由于高壓負(fù)低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 的產(chǎn)品系列較少，因此我們一般使用一個離散式 LC 濾波器來減弱開關(guān)噪聲。盡管這種方法有效，但它要求設(shè)計人員花費時間來計算 LC 濾波器的精度和長期穩(wěn)定性。

　　例如，圖 1 所示參考設(shè)計便使用了 TPS54x60，其顯示了一種更為簡單的清潔電壓軌生成方法。利用這種電路，通過一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建正負(fù)電壓軌。使用兩個高電源抑制比 （PSRR）/低噪聲 LDO 進行后期穩(wěn)壓，以消除開關(guān)噪聲。LDO 的噪聲性能去除了對于 LC 輸出濾波器的需求。

　　要創(chuàng)建這種參考設(shè)計，需使用一個降-升壓結(jié)構(gòu)的 +60V 開關(guān)轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個平衡的+/-輸出電壓。利用低噪聲、高 PSRR LDO（例如：TPS7A30 和 TPS7A49 等），對開關(guān)的正負(fù)電壓輸出進行后期穩(wěn)壓。圖 2 中，–18V 軌的開關(guān)穩(wěn)壓器電壓紋波為約 40mV，而 +18V 軌則為 20mV。通過使用 LDO 對 300 kHz 開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出進行后期穩(wěn)壓，電壓紋波得到極大減弱。這里，我們使用 60V 開關(guān)轉(zhuǎn)換器，因為接地引腳參考至 –18V 軌，并且最大 VIN為 30V。在這種配置中，開關(guān)轉(zhuǎn)換器必須承受的最大電壓為 48V。請為其寬輸入電壓、低輸出噪聲和高 PSRR 選擇 LDO。

　　圖 1 參考示意圖

　　圖 2 表明 LDO PSRR 性能的示波器屏幕截圖。

　　在今天的醫(yī)療、測試測量以及工業(yè)控制市場上，隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器分辨率的提高，或者說隨著信號滿量程范圍的減小，對于更高噪聲性能的需求變得越來越重要。表 1 顯示了隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器分辨率的提高，1LSB 電壓階躍減小?；蛘撸S著滿量程電壓擺動量級的減小，1 LSB 電壓階躍減小。隨著 1 LSB 電壓值減小，電源產(chǎn)生的噪聲影響增加。電源產(chǎn)生的噪聲增加了信噪比 （SNR），從而降低了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的有效分辨率。例如，由于電源產(chǎn)生的過度噪聲，一個 16 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會表現(xiàn)得像一個 14 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。具體應(yīng)由設(shè)計工程師來決定如何進行噪聲和精確度之間的折中。