檢定采用內(nèi)部旁路電容的數(shù)據(jù)采集μ模塊器件的PSRR

作者：Naveed Naeem and Samantha Fontaine

在優(yōu)化數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)時，設(shè)計人員必須仔細(xì)考慮電源對高精度性能的影響。通常，電源電路包括低壓差線性穩(wěn)壓器和DC-DC開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的組合。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的一個缺點是會產(chǎn)生輸出紋波。雖然紋波幅度相對較低，但它們會耦合到模擬信號路徑中的關(guān)鍵組件中，從而可能破壞測量并影響性能。電源組件通常必須具有低噪聲，并在PCB上的多個位置進(jìn)行充分的電源去耦，以防止信號鏈的性能下降。

電源抑制比（PSRR）是量化系統(tǒng)抑制電源噪聲和擾動能力的指標(biāo)。隨著DAQ解決方案通過系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)發(fā)展成為更完整的信號鏈解決方案，電源去耦可以與精密信號鏈共同封裝，以改善整個系統(tǒng)的PSRR。

PSRR 定義

電源抑制比，也稱為電源紋波抑制，本質(zhì)上是電源電壓變化與輸出電壓的比值，以dB表示。

以下公式定義了如何計算 PSRR （A2V是電壓增益）。

PSRR是量化電路對電源噪聲和擾動的靈敏度以及它如何影響電路輸出的關(guān)鍵參數(shù)。它通常在從直流到幾MHz的寬頻率范圍內(nèi)測量，PSRR在較高頻率下往往會降低。

系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常在其電路的電源節(jié)點上添加去耦電容，以減少可能耦合到敏感元件中的噪聲和毛刺。對于放大器，0.1 μF陶瓷電容放置在盡可能靠近電源引腳的位置，以減少高頻耦合。此外，為了提供低頻去耦，大型10 μF鉭電容并聯(lián)連接，通常放置在更靠近電源的位置。

PSRR動機

對電源效率的渴望是一些系統(tǒng)設(shè)計人員無法容忍高功率、低噪聲電源轉(zhuǎn)換組件的原因之一。電池供電的DAQ系統(tǒng)是需要低功耗高性能的應(yīng)用示例，這是設(shè)計對電源噪聲靈敏度較低的DAQ的重要動力。

現(xiàn)代設(shè)備通常包括由同一電池供電的多個系統(tǒng)。如果一個系統(tǒng)或設(shè)備的電流消耗在特定條件下增加，則電池電壓以及由該電池供電的其他設(shè)備的任何電源電壓可能會發(fā)生變化。由于這些原因，直流PSRR在設(shè)計系統(tǒng)的電池管理電路時非常重要。根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度，設(shè)計人員可以使用LDO穩(wěn)壓器來幫助應(yīng)對壓降。交流PSRR也是電池供電系統(tǒng)中需要紋波感應(yīng)降壓、升壓或反相穩(wěn)壓器的重要規(guī)格。

對于工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)噪聲是一個關(guān)鍵指標(biāo)。例如，來自附近來源的電磁干擾（EMI）可能會耦合到電源，從而導(dǎo)致噪聲雜散和其他誤差。為了幫助最大限度地減少這些噪聲雜散，使用去耦電容和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB設(shè)計技術(shù)（如接地、屏蔽和正確的元件放置）非常重要。

圖1顯示了一個典型的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號鏈。每個組件受電源噪聲的影響程度不同。添加適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙菘筛纳菩盘栨溨忻總€元件在較高頻率下的PSRR性能，如圖1所示。

圖1.典型精密數(shù)據(jù)采集信號鏈。

ADI公司的信號鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案有助于解決一些電源設(shè)計痛點，例如優(yōu)化走線布局、增加去耦電容，以及在某些情況下，電源管理元件，如LDO穩(wěn)壓器。ADAQ4003是一款μModule數(shù)據(jù)采集解決方案，在所有電源上均包括去耦電容，以降低其對擾動的敏感性。ADAQ7980/ADAQ7988 μModule數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括去耦電容和LDO穩(wěn)壓器。集成的LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步簡化了設(shè)計——系統(tǒng)設(shè)計人員只需提供一個干凈的電源即可為μModule器件供電，如果需要，他們可以自由地繞過LDO穩(wěn)壓器。?

在分立元件上測試PSRR的當(dāng)前方法

分立元件的PSRR測試是表征計劃中的一個常見特征，因為它利用了一套成熟的標(biāo)準(zhǔn)和方法。分立元件的PSRR測試通常在沒有任何外部電源去耦電容的情況下進(jìn)行，有意揭示電源軌上大量噪聲對性能的直接影響。

通常，函數(shù)發(fā)生器和示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征放大器的PSRR，方法是將各種頻率音注入直流電源電壓并測量DUT輸出端的擾動量。

圖2.分立式PSRR測試電路示例。

對分立器件執(zhí)行交流PSRR測試需要將交流信號注入直流電源電壓，并測量相對于電源激勵的輸出干擾。例如，ADA4945在頻率為100 kHz時的PSRR為115 dB。這意味著 1 V峰，電源上的 100 kHz 交流干擾表現(xiàn)為大約 1.79 μV峰設(shè)備輸出端的信號。

圖3.全差分ADC驅(qū)動器ADA4945的PSRR與頻率的關(guān)系

測試ADC的PSRR性能類似于測試放大器，但它不是電壓輸出，而是編碼輸出。對于交流PSRR，ADC的PSRR是ADC輸出頻率處的功率與施加在ADC V上的200 mV p-p正弦波的功率之比DD頻率供應(yīng)。圖4和圖5分別顯示了SAR ADC的測試配置和由此產(chǎn)生的典型響應(yīng)。

對于直流PSRR測試，誤差是由于電源電壓與標(biāo)稱值的變化而導(dǎo)致的滿量程轉(zhuǎn)換點的最大變化。

圖4.單端ADC交流PSRR測試電路。

圖5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器交流噪聲抑制比響應(yīng)。

測試SiP的PSRR的挑戰(zhàn)在于它們包含多個高達(dá)30 μF的內(nèi)部旁路電容，大多數(shù)信號發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò)分析儀都難以在更高頻率下驅(qū)動如此大的容性負(fù)載。

如何表征信號鏈μ模塊解決方案的PSRR

在表征信號鏈μModule解決方案的PSRR時，測試方法與測試放大器基本相同。交流信號疊加在直流電源電壓上，并測量電源激勵與μModule輸出之間的關(guān)系。然而，由于內(nèi)部電源去耦電容，隨著進(jìn)入電源的輸入頻率增加，對信號源電流驅(qū)動能力的需求也隨之增加。內(nèi)部電容確實提高了對交流PSRR的抗擾度，但該測試旨在考慮最壞的情況。

信號鏈μModule解決方案可應(yīng)用于各種應(yīng)用，因此SiP的PSRR測試必須類似于最終應(yīng)用中的分立器件。雖然有多個分立元件，但很難預(yù)測整個系統(tǒng)將如何響應(yīng)交流電源激勵。

從特性分析的角度來看，內(nèi)部旁路電容和適當(dāng)?shù)脑u估板設(shè)計是正確測試PSRR時要考慮的最重要因素（本文“評估板開發(fā)的設(shè)計考慮因素”部分將進(jìn)一步介紹評估板設(shè)計）。任何內(nèi)部旁路電容都會改善信號鏈μModule解決方案的交流PSRR，但該電容會影響測試的執(zhí)行方式。

如前所述，信號發(fā)生器不具備驅(qū)動更大容性負(fù)載的能力。例如，考慮一個信號鏈μModule解決方案，其主電源上的內(nèi)部旁路電容總計為3 μF，PSRR測試要求最大頻率為10 MHz，幅度為50 mV p-p。基于這些條件，產(chǎn)生正弦波的信號發(fā)生器需要能夠驅(qū)動大約4.71 A的電流，并具有足夠的帶寬來處理10 MHz信號。這是基于去耦電容在10 MHz時的阻抗。

為了提供足夠的電流，可以使用ADA4870等高功率放大器來提供額外的電流源能力。此設(shè)置假設(shè)所使用的函數(shù)發(fā)生器可以提供必要的直流電壓來偏置您的 DUT。如果不是這種情況，可以使用偏置三通來隔離直流和交流信號路徑，或者您可以從給定的信號發(fā)生器獲得可用的直流偏置，否則可以滿足其他必要的輸出要求。

圖6.采用ADA4870的PSRR設(shè)置框圖

使用ADA4870評估板可以相對輕松地與評估板和信號發(fā)生器連接，因為它具有SMA輸入和SMA輸出。

評估板開發(fā)的設(shè)計考慮因素

設(shè)計也可用于交流PSRR測試的評估板并不是大幅改變設(shè)計的理由。要記住的一些關(guān)鍵點是：

對于要測試PSRR的每個電源，提供通過SMA驅(qū)動它的選項，以保持信號源的信號完整性。

仔細(xì)注意減少從SMA輸入到DUT上相關(guān)電源層的路徑中的任何寄生電感和電容。任何寄生電容或電感都可能在目標(biāo)頻率上引起不必要的諧振。

對于每個電源，確保其相關(guān)的電源層是穩(wěn)定的，也就是說，不要通過無源元件和多層分成多個部分。例如，電流檢測電阻不應(yīng)跨越兩個電源層（如圖7所示）。此外，應(yīng)盡量減少電源跨層的次數(shù)，以避免過孔引起的寄生電感，如圖8所示的高頻模型所示。圖7所示的電阻可用于電流檢測，但在本例中，電阻為0 Ω。圖9顯示了更好的PCB電源層布線，而圖10顯示了高頻等效模型。

圖7.電源層連接不良設(shè)計示例。

圖8.高頻原理圖等效于圖7。

圖9.優(yōu)化 PCB 電源層布線：最佳性能。

圖 10.高頻等效于圖9。

重要的是，在沒有DUT的情況下測試評估板，以確保在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)沒有任何不必要的諧振。如果有任何共振，則應(yīng)在數(shù)據(jù)處理過程中加以考慮。對于每個頻率，示波器驗證電源信號是否符合預(yù)期 - 不要相信信號發(fā)生器上的刻度盤。

測試設(shè)置

如前所述，被測信號鏈μModule解決方案的電源必須能夠提供標(biāo)稱直流失調(diào)，以在最大輸入頻率下以足夠的電流為DUT和交流激勵供電。為了在此處所示的測試設(shè)置中實現(xiàn)此目的，ADA4870評估板與AD3256函數(shù)發(fā)生器結(jié)合使用，以實現(xiàn)2的同相增益。

圖11顯示了定制的ADA4870功率放大器評估板和ADA4355評估板。

圖 11.ADA4355評估板，內(nèi)置ADA4870，用于PSRR測試。

圖12所示數(shù)據(jù)是通過捕獲每個輸入頻率下的數(shù)據(jù)并查看每個頻率下的FFT（dBFS）功率生成的。從那里，該頻率下的電壓電平通過使用公式4求解：

使用生成的 VOUT_PSRR要計算 PSRR，請執(zhí)行以下操作：

圖 12.ADA4355 PSRR結(jié)果。

結(jié)論

ADI公司的信號鏈μModule解決方案集成了信號調(diào)理、電源生成和無源內(nèi)部元件。這些一體化系統(tǒng)級封裝設(shè)計使客戶能夠以非常小的PCB占位面積快速實現(xiàn)所需的市場性能。盡管信號鏈μModule解決方案在易用性方面無與倫比，但必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y試。雖然可以應(yīng)用測試PSRR的標(biāo)準(zhǔn)做法，但由于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的限制，通常需要額外的電流驅(qū)動能力。

審核編輯：郭婷