使用追蹤電源來提高信號鏈性能

由于運算放大器的 PSRR 進(jìn)一步降低了電源的微小變化，因此您可能會錯誤地得出如下結(jié)論：電源電壓的微小變化在系統(tǒng)中影響極小或者沒有影響。作為一個定量舉例，我們可對一個全差動運算放大器進(jìn)行分析，其將信號緩沖至一個 24位 ADC。

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

圖 3 計算補償誤差影響的示例電路

如果每個 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 讀取零計數(shù)。那么，電源大小相等而在運算放大器輸入上沒有信號的情況下，您會從 ADC 讀取零計數(shù)。

然而，假設(shè)正電壓 LDO 輸出增加 3%，仍然沒有超出 LDO 規(guī)范。使用 15V 輸出時，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，運算放大器的典型 PSRR 為 97dB。

方程式 2 現(xiàn)在可用于計算運算放大器輸入的失調(diào)電壓。在運算放大器輸入有一個額外的 3.178μV 失調(diào)電壓。由于運算放大器被配置為一個單位增益緩沖器，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 ADC 位相當(dāng)于 298nV。

使用電源產(chǎn)生的補償電壓，ADC 現(xiàn)在讀取 11 個計數(shù)，而非零計數(shù)。電源在讀取 ADC 計數(shù)中引入了一個 DC 補償誤差。該誤差會因 LDO 輸出電壓而不同，而 LDO 輸出電壓又隨時間、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 和四個電阻需要針對 2 增益進(jìn)行配置。額定值條件下，R3 和 R4 之間的節(jié)點應(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 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?，F(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，并被增益至原來的 2 倍。由于 U1 的輸出同時驅(qū)動兩個 LDO 反饋網(wǎng)絡(luò)，因此同時對兩個 LDO 實施校正以強制其輸出大小相等。

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，其可能超出其絕對最大電壓額定值。我們可以添加鉗位二極管，在 LDO 的高動態(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)品說明書額定的絕對最大電壓范圍內(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附加電壓環(huán)路。所增加的運算放大器 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 一般只會有幾千赫茲的帶寬。因此，它將不會加到系統(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明了 DC 偏置電源如何影響運算放大器的一些性能參數(shù)。使用本文提供的方程式，可實際測得和計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為運算放大器構(gòu)建一個追蹤電源可以減少輸入補償電壓的多少，可以建立正確序列來減少鎖閉問題的發(fā)生，還可以提高用于運算放大器 DC 偏置電源的線性穩(wěn)壓器的整體電壓精度。