追蹤電源對(duì)信號(hào)鏈性能提高的研究 - 全文

　　本文闡述了直流偏置電源對(duì)敏感模擬應(yīng)用中所使用運(yùn)算放大器 （op amp） 產(chǎn)生的影響，此外還涉及了電源排序及直流電源對(duì)輸入失調(diào)電壓的影響。另外，本文還介紹了一種通過(guò)線性穩(wěn)壓器（一般不具有追蹤能力）輕松實(shí)施追蹤分離電源的方法，以幫助最小化直流偏置電源帶來(lái)的一些不利影響。

　　在許多運(yùn)算放大器電路中，直流偏置電源會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能，特別是在與高位計(jì)數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 一起使用或者用于敏感傳感器電路的信號(hào)調(diào)節(jié)時(shí)。直流偏置電源電壓決定放大器的輸入共模電壓以及許多其他規(guī)范。

　　在上電期間，必須協(xié)調(diào)直流偏置電源的順序來(lái)防止運(yùn)算放大器鎖閉。這樣會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。本文解釋了追蹤電源對(duì)運(yùn)算放大器的重要性，并介紹了一種利用通常不具有追蹤能力的線性穩(wěn)壓器輕松實(shí)施一個(gè)追蹤分離電源的方法。

　　給一個(gè)運(yùn)算放大器供電有兩種常見方法。第一種也是最簡(jiǎn)單的一種方法是使用一個(gè)單一正電源，如圖 1 （a） 所示。第二種方法是使用一個(gè)分離（雙）電源（如圖1 （b） 所示），其同時(shí)具有一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓。這種分離電源在許多模擬電路中都非常有用，因?yàn)樗试S包括零電壓電位的輸入信號(hào)或者在正與負(fù)之間搖擺的輸入信號(hào)。

　　圖 1 運(yùn)算放大器供電選項(xiàng)

　　不管使用哪一種方法，輸入共模電壓都由電源電壓決定。輸入共模電壓只是兩個(gè)電壓的算術(shù)平均數(shù)。方程式 1 可用于計(jì)算輸入共模電壓，其中 VP 為正電壓軌的值，而 VN 為負(fù)電壓軌的值。

　　就一個(gè)單電源系統(tǒng)而言，VN 始終為零，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的負(fù)電源軌連接到接地電位。

　　利用圖 1 所示數(shù)值，單電源運(yùn)算放大器具有一個(gè) 7.5V 的輸入共模電壓，而分離電源運(yùn)算放大器有一個(gè) 0V 的輸入共模電壓。

　　一些運(yùn)算放大器可以工作在單電源結(jié)構(gòu)也可以工作在分離電源結(jié)構(gòu)中。一些運(yùn)算放大器甚至可以同非對(duì)稱分離電源（VP 大小與 VN 不等）一起工作。所有情況下，設(shè)計(jì)人員都需要驗(yàn)證運(yùn)算放大器是否能夠支持期望的電源配置結(jié)構(gòu)。

　　另外，許多運(yùn)算放大器都具有使用分離電源的特點(diǎn)。因此，如果一個(gè)運(yùn)算放大器專為單電源結(jié)構(gòu)中分離電源運(yùn)行而設(shè)計(jì)，則可能會(huì)存在一些性能差異。

　　使用對(duì)稱分離電源時(shí)，正負(fù)電壓必須互相追蹤，特別是在電路初次上電時(shí)。追蹤電源是一種調(diào)節(jié)其輸出電壓至另一個(gè)電壓或信號(hào)的電源。對(duì)于大多數(shù)運(yùn)算放大器而言，正電源電壓與負(fù)電源電壓始終應(yīng)該大小相等而極性相反。

　　另外，您也可以對(duì)負(fù)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與正電源大小相等而極性相反。兩種方法都會(huì)產(chǎn)生相同的上電波形。

　　如果兩個(gè)電源并非大小相等而極性相反，則運(yùn)算放大器可在上電期間鎖閉。鎖閉可能會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。

　　圖 2 顯示了一個(gè)典型運(yùn)算放大器電源電路的示意圖。此處，一個(gè)開關(guān)電源提供一個(gè)正 18V 和一個(gè)負(fù) 18V。兩低壓降 （LDO） 線性穩(wěn)壓器進(jìn)一步將 ±18V 調(diào)節(jié)至 ±15V。該 LDO 一般安裝在電源和運(yùn)算放大器之間，旨在降低開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲。LDO 具有較高的電源抑制（以比率表示，PSRR），其減弱了寬帶頻率下 LDO 輸入的噪聲。

　　圖 2 運(yùn)算放大器的典型電源結(jié)構(gòu)

　　這樣可幫助向運(yùn)算放大器提供低噪聲電源。運(yùn)算放大器還具有自己的 PSRR，其一般在 80dB 以上。然而，運(yùn)算放大器僅在數(shù)千赫茲帶寬時(shí)具有高 PSRR，因此 LDO 用于提供高達(dá)數(shù)百千赫茲帶寬的高 PSRR。

　　圖 2 所示電路本身沒(méi)有追蹤能力。在上電期間，無(wú)法保證每個(gè) LDO 與另一個(gè) LDO 大小相等而極性相反。上電期間每個(gè) LDO 的輸出電壓都由所有軟啟動(dòng)電路、限流、負(fù)載電容、負(fù)載電流以及輸入電壓決定。

　　因此，在啟動(dòng)時(shí)兩個(gè)電壓大小不同而極性也不相反是有可能的。另外，LDO 上電并提供穩(wěn)態(tài)的 DC 輸出以后，它們?nèi)匀挥锌赡艽笮〔坏?，因?yàn)槊總€(gè) LDO 都具有其自己的輸出電壓精度，而且反饋電阻會(huì)因其容差而稍微不同。

　　除上電期間的鎖閉問(wèn)題以外，如果每個(gè)電源的最終工作 DC 電壓隨時(shí)間而變化，則電源會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。電源輸出會(huì)因線電壓、負(fù)載電流變化和溫度變化而不同。電源輸出會(huì)在其精度規(guī)范內(nèi)有所不同，其一般為額定輸出電壓的 3% 到 5%。

　　盡管這些電源電壓的變化很小，但卻會(huì)改變運(yùn)算放大器的輸入共模電壓點(diǎn)，其通常被建模為運(yùn)算放大器輸入的額外補(bǔ)償電壓。因?yàn)檫\(yùn)算放大器有高 PSRR，因此建模補(bǔ)償電壓等于輸入共模電壓變化值除以運(yùn)算放大器的 PSRR。方程式 2可用于計(jì)算電源變化引起的運(yùn)算放大器輸入的補(bǔ)償電壓。

　　方程式 2 所示 PSRR 以分貝表示，其可在大多數(shù)運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書中找到。方程式 2 給出了以運(yùn)算放大器輸入為參考的補(bǔ)償電壓。用方程式 2 所得結(jié)果乘以運(yùn)算放大器增益，運(yùn)算放大器輸出可參考補(bǔ)償電壓。

　　由于運(yùn)算放大器的 PSRR 進(jìn)一步降低了電源的微小變化，因此您可能會(huì)錯(cuò)誤地得出如下結(jié)論：電源電壓的微小變化在系統(tǒng)中影響極小或者沒(méi)有影響。作為一個(gè)定量舉例，我們可對(duì)一個(gè)全差動(dòng)運(yùn)算放大器進(jìn)行分析，其將信號(hào)緩沖至一個(gè) 24位 ADC。

　　圖 3 顯示的是一個(gè)使用全差動(dòng)運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化示意圖，例如：OPA1632，其配置為一個(gè)為 24 位 ADC（例如： ADS1271）提供信號(hào)的單位增益緩沖器。該電路是 ADC 評(píng)估電路板的簡(jiǎn)化示意圖。運(yùn)算放大器由 LDO 供電，其線壓、負(fù)載和溫度精度為 3%。LDO 的輸出電壓針對(duì) ±15V 標(biāo)稱值進(jìn)行配置。

　　圖 3 計(jì)算補(bǔ)償誤差影響的示例電路

　　如果每個(gè) LDO 的輸出電壓均恰好各是 +15V 和 –15V，則共模輸入電壓剛好為 0V。就本例而言，如果零伏在其輸入上，則我們自 ADC 讀取零計(jì)數(shù)。那么，電源大小相等而在運(yùn)算放大器輸入上沒(méi)有信號(hào)的情況下，您會(huì)從 ADC 讀取零計(jì)數(shù)。

　　然而，假設(shè)正電壓 LDO 輸出增加 3%，仍然沒(méi)有超出 LDO 規(guī)范。使用 15V 輸出時(shí)，這 3% 的變化等同于電源電壓從 450mV 上升到 15.45V。根據(jù)數(shù)據(jù)表，運(yùn)算放大器的典型 PSRR 為 97dB。

　　方程式 2 現(xiàn)在可用于計(jì)算運(yùn)算放大器輸入的失調(diào)電壓。在運(yùn)算放大器輸入有一個(gè)額外的 3.178μV 失調(diào)電壓。由于運(yùn)算放大器被配置為一個(gè)單位增益緩沖器，因此該 3.178μV 也存在于輸出，并施加于ADC。ADC 的滿量程輸入范圍為 ±2.5V，因此每個(gè) ADC 位相當(dāng)于 298nV。

　　使用電源產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓，ADC 現(xiàn)在讀取 11 個(gè)計(jì)數(shù)，而非零計(jì)數(shù)。電源在讀取 ADC 計(jì)數(shù)中引入了一個(gè) DC 補(bǔ)償誤差。該誤差會(huì)因 LDO 輸出電壓而不同，而 LDO 輸出電壓又隨時(shí)間、溫度、負(fù)載電流和輸入電壓而變化。這便使得這種誤差難以通過(guò)校準(zhǔn)去除掉，也讓 ADC 的低四位變得不確定。

　　提高 LDO 追蹤和精度（或者漂移）性能的一種簡(jiǎn)單方法是將圖 2 所示電路修改為圖 4 所示電路。附加放大器 U1 和四個(gè)電阻需要針對(duì) 2 增益進(jìn)行配置。額定值條件下，R3 和 R4 之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)為零伏。因此，R1 的值必須等于 R2，而 R3 的值必須等于 R4。

　　圖 4 添加追蹤的電路。

　　圖 2 中，每個(gè) LDO 的反饋網(wǎng)絡(luò)都連接至接地。圖 4 中，反饋電阻連接至接地，且由 U1 的輸出驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在，如果任何電源改變其輸出電壓，則差異出現(xiàn)在 U1 的非反相輸入上，并被增益至原來(lái)的 2 倍。由于 U1 的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LDO 反饋網(wǎng)絡(luò)，因此同時(shí)對(duì)兩個(gè) LDO 實(shí)施校正以強(qiáng)制其輸出大小相等。

　　必須注意圖 4 所示電路。U1 的輸出可驅(qū)動(dòng)至接近或者等于為 U1 供電電源軌的電壓。如果使用輸入源的 ±18V 為 U1 供電，則輸出可驅(qū)動(dòng)至高達(dá) 18V 的電壓。該 18V 輸出應(yīng)用于 LDO 的反饋引腳，其可能超出其絕對(duì)最大電壓額定值。我們可以添加鉗位二極管，在 LDO 的高動(dòng)態(tài)負(fù)載環(huán)境下、短路條件下或者上電期間保護(hù) LDO 反饋引腳。

　　圖 5 顯示的是加裝追蹤電路和保護(hù)二極管的 LDO 示意圖。為了讓示意圖更易于理解，U3 的每個(gè)電源軌的 10 μF 旁路電容器都已脫去不用。

　　圖 5 帶電壓保護(hù)的 LDO 追蹤電路

　　圖 5 所示電路使用一個(gè)如 TPS7A3001 等可調(diào)節(jié)、負(fù)輸出電壓 LDO 線性穩(wěn)壓器，以及如 TPS7A4901 等可調(diào)節(jié)、正輸出電壓 LDO。U3、R7-R10 和 C3 均為增加的組件，用于追蹤。R1、R2、D1-D5 均為增加組件，用于將反饋引腳的電壓控制在其各自產(chǎn)品說(shuō)明書額定的絕對(duì)最大電壓范圍內(nèi)。

　　所有其他組件一般都是為了支持 LDO，例如：輸入和輸出電容以及反饋電阻。所示 LDO 可支持 ±36V 范圍的輸入電壓，但由于 TLE2141 運(yùn)算放大器的建議電壓極限，該電路的輸入電壓降低至 ±22V?？梢赃x擇更高電壓的運(yùn)算放大器，以覆蓋 LDO 完整的 ±36V 輸入范圍。

　　在兩種 LDO 反饋控制方案中，追蹤電路都形成了一個(gè)附加電壓環(huán)路。所增加的運(yùn)算放大器 U3 的帶寬需要由 C3 降低，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。U3 帶寬需要至少為最低 LDO 電壓環(huán)路的 1/10。這就意味著 U3 一般只會(huì)有幾千赫茲的帶寬。因此，它將不會(huì)加到系統(tǒng)的高頻 PSRR。LDO 的 PSRR 主要決定系統(tǒng)的高頻 PSRR。

　　總結(jié)

　　本文的討論明顯地說(shuō)明了 DC 偏置電源如何影響運(yùn)算放大器的一些性能參數(shù)。使用本文提供的方程式，可實(shí)際測(cè)得和計(jì)算得到這些影響的大小，以確定其在模擬系統(tǒng)中的影響。此外您還可以了解到，添加一些附加組件來(lái)為運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)追蹤電源可以減少輸入補(bǔ)償電壓的多少，可以建立正確序列來(lái)減少鎖閉問(wèn)題的發(fā)生，還可以提高用于運(yùn)算放大器 DC 偏置電源的線性穩(wěn)壓器的整體電壓精度。