為精密模擬電路設(shè)計(jì)超低噪聲正負(fù)電源

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(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

通常的解決方案是使用一個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)人員花費(fèi)時(shí)間來計(jì)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(jì)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(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建正負(fù)電壓軌。使用兩個(gè)高電源抑制比 (PSRR)/低噪聲 LDO 進(jìn)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?jiǎng)?chuàng)建這種參考設(shè)計(jì)，需使用一個(gè)降-升壓結(jié)構(gòu)的 +60V 開關(guān)轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)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(jìn)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?yàn)榻拥匾_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。或者，隨著滿量程電壓擺動(dòng)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(gè) 16 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會(huì)表現(xiàn)得像一個(gè) 14 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。具體應(yīng)由設(shè)計(jì)工程師來決定如何進(jìn)行噪聲和精確度之間的折中。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器精確度
表 1、LSB 折中考慮

重新創(chuàng)建該設(shè)計(jì)的一種簡單方法是使用我們用過的相同評估板：TPS54060EVM-590用于開關(guān)電路；TPS7A30-49REVM-567 用于 LDO。

只需將開關(guān)穩(wěn)壓器評估板 (EVM) 連接至 LDO EVM 的輸入便可開始評估。如果這款解決方案不符合系統(tǒng)電壓要求，請下載該負(fù)載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器工具，對開關(guān)電路進(jìn)行修改，以符合您的規(guī)范。如果 LDO 板要求不同的輸出電壓，請利用 LDO 產(chǎn)品說明書修改反饋電阻器，以計(jì)算理想輸出電壓要求的值。使用這種方法，可通過 12V 到 30V 的輸入電壓以及 +/−2.5V 到 +/−15V 范圍的輸出電壓，產(chǎn)生正負(fù)電壓軌。

結(jié)論

如果需要一款更簡單的解決方案，產(chǎn)生極低噪聲的穩(wěn)定正負(fù)電壓軌，為ADC、DAC、雙極放大器等供電，則請考慮使用圖 1 所示參考設(shè)計(jì)。請對可用的工具及應(yīng)用支持進(jìn)行評估，它們可以讓正負(fù)電壓電源的創(chuàng)建、評估和修改變得更加輕松。現(xiàn)在，你可以快速地創(chuàng)建電源部分，將更寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間花在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路上面，它對于在競爭中差異化您的應(yīng)用至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)
TPS7A3001 和 TPS7A4901 低壓降線性穩(wěn)壓器評估模塊。
TPS54060 分離軌電源評估模塊。

作者簡介

Pat Hunter 現(xiàn)任 TI 產(chǎn)品市場營銷工程師，主要負(fù)責(zé)負(fù)載點(diǎn)電源解決方案的市場營銷戰(zhàn)略開發(fā)工作。Pat 畢業(yè)于北卡羅來納大學(xué) (University of North Carolina, Charlotte, North Carolina)，獲電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位，他擁有一項(xiàng)專利。