低噪聲的高效設(shè)計(jì)是不是無(wú)法實(shí)現(xiàn)？

工程師在為時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器等用于測(cè)試、測(cè)量和無(wú)線電應(yīng)用的噪聲敏感型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是如何更大限度地降低噪聲。鑒于不同的人對(duì)“噪聲”這個(gè)術(shù)語(yǔ)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?？蓪⒃肼曨l譜密度曲線（以微伏/平方根赫茲為單位）中100Hz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)，會(huì)先后采用直流/直流轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)（例如TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54）及鐵氧體磁珠濾波器的布置，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)方法更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(wèn)題，例如，后置穩(wěn)壓LDO會(huì)在典型的模擬前端應(yīng)用中增加1.5W的功率損耗。低噪聲的高效設(shè)計(jì)是不是無(wú)法實(shí)現(xiàn)？倒也未必。

圖1：使用直流/直流轉(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)換器替換LDO

防止產(chǎn)生功率損耗的一種方法是更大限度減少通過(guò)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，使用低噪聲直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器代替設(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(wú)LDO）

我知道您的疑問(wèn)：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，用于更大限度減少進(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。

圖3：具有帶隙噪聲過(guò)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(lái)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直流/直流轉(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來(lái)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)換器通過(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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。

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