【導(dǎo)讀】在優(yōu)化數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮電源對(duì)高精度性能的影響。電源電路中通常都包含低壓差線性穩(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(gè)缺點(diǎn)是：它們會(huì)產(chǎn)生輸出紋波。雖然紋波幅度相對(duì)較低，但它們會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑的關(guān)鍵元件中，可能會(huì)破壞測(cè)量和降低性能。電源元件通常必須具備極低的噪聲，并且在PCB的多個(gè)位置進(jìn)行充分的電源去耦，以防止信號(hào)鏈的性能下降。
電源電壓抑制比(PSRR)是衡量系統(tǒng)抑制電源噪聲和干擾能力的量化指標(biāo)。隨著DAQ解決方案通過系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)發(fā)展成為更完整的信號(hào)鏈解決方案，可將電源去耦和精密信號(hào)鏈封裝在一起，以提高整個(gè)系統(tǒng)的PSRR。
PSRR定義
電源電壓抑制比也稱為電源紋波抑制，實(shí)質(zhì)上是電源電壓變化與輸出電壓的比值，用dB表示。
以下公式定義了如何計(jì)算PSRR (A2V為電壓增益）。
PSRR是一個(gè)重要的參數(shù)，用于量化電路對(duì)電源噪聲和擾動(dòng)的敏感度及其對(duì)電路輸出的影響。通常在較寬的頻率范圍（直流到數(shù)MHz）內(nèi)測(cè)量，PSRR會(huì)隨頻率升高而降低。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在電路的電源節(jié)點(diǎn)中添加解耦電容，以減少可能耦合到敏感元件中的噪音和毛刺。對(duì)于放大器，將0.1 µF陶瓷電容放置在盡量靠近電源引腳的位置，以減少高頻耦合。此外，為了提供低頻解耦，可并聯(lián)連接較大的10 μF鉭電容，一般將其放置在更靠近電源的位置。
PSRR推動(dòng)因素
一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不愿使用高功耗、低噪聲功率轉(zhuǎn)換元件，其中一個(gè)原因是他們希望獲得高功效比。電池供電的DAQ系統(tǒng)就是這種要求以低功耗獲取高性能的應(yīng)用，因此需要設(shè)計(jì)對(duì)電源噪聲不敏感的DAQ系統(tǒng)。
現(xiàn)代設(shè)備通常包含多個(gè)由同一電池供電的系統(tǒng)。在一定條件下，如果一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的功耗增加，那么電池電壓，以及由該電池供電的其他設(shè)備的電源電壓都可能發(fā)生變化。由于這些原因，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電池管理電路時(shí)，dc PSRR參數(shù)非常重要。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度，使用LDO穩(wěn)壓器來幫助消除壓降。在電池供電系統(tǒng)中，如果需要紋波觸發(fā)降壓、升壓或反相穩(wěn)壓器，則AC PSRR也是一個(gè)重要參數(shù)。
對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)噪聲是關(guān)鍵指標(biāo)。例如，附近設(shè)備的電磁干擾(EMI)會(huì)與電源耦合，導(dǎo)致出現(xiàn)噪聲雜散和其他誤差。為了幫助最大限度減少這些噪聲雜散，使用解耦電容和合適的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)（例如接地、屏蔽，以及正確放置元件）非常重要。
圖1展示典型的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)鏈。各個(gè)元件都不同程度地受電源噪聲的影響。添加合適的解耦電容，可以提高圖1所示的信號(hào)鏈各元件在更高頻率下的PSRR性能。
圖1.典型的精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。
ADI公司的信號(hào)鏈µModule®數(shù)據(jù)采集解決方案可以幫助解決一些電源設(shè)計(jì)難題，例如優(yōu)化線路布局、添加解耦電容，以及在某些情況下，添加電源管理元件，例如LDO穩(wěn)壓器。ADAQ4003是一款µModule數(shù)據(jù)采集解決方案，所有電源都包含解耦電容，以降低其對(duì)擾動(dòng)的敏感度。 ADAQ7980/ADAQ7988µModule數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括解耦電容和一個(gè)LDO穩(wěn)壓器。 集成式LDO穩(wěn)壓器可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需提供一個(gè)干凈電源為µModule器件供電，如果需要，還可以旁路LDO穩(wěn)壓器。
當(dāng)前測(cè)試分立元件PSRR的方法
分立元件PSRR測(cè)試是特性表征計(jì)劃中的常見組成部分，它采用一套完善的標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行。分立元件PSRR測(cè)試通常在沒有任何外部電源去耦電容的情況下進(jìn)行，以揭示供電軌上的大量噪聲對(duì)性能的直接影響。
通常，可以使用函數(shù)發(fā)生器和示波器，或者使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過向直流電源電壓注入不同的頻率，并測(cè)量DUT輸出的擾動(dòng)量來確定放大器的PSRR特性。
圖2.分立式PSRR測(cè)試電路示例。
對(duì)分立器件執(zhí)行ac PSRR測(cè)試需要將交流信號(hào)注入直流電源電壓，并測(cè)量相對(duì)于電源激勵(lì)的輸出干擾。例如，在100 kHz頻率下，ADA4945的PSRR為115 dB。這意味著電源上1 VPEAK, 100 kHz的交流干擾表現(xiàn)為器件輸出端約1.79 µVPEAK的電壓信號(hào)。
圖3.ADA4945全差分ADC驅(qū)動(dòng)器的PSRR與頻率的關(guān)系。
測(cè)試ADC的PSRR性能與測(cè)試放大器類似，但它不是測(cè)試電壓輸出，而是數(shù)字碼輸出。對(duì)于ac PSRR，ADC的PSRR是該頻率下ADC輸出功率與該頻率下施加于ADC VDD電源的200 mV p-p正弦波功率的比值。圖4和圖5分別顯示SAR ADC的測(cè)試配置和得到的典型響應(yīng)。
對(duì)于dc PSRR測(cè)試，誤差是由于電源電壓偏離標(biāo)稱值而引起的滿量程轉(zhuǎn)換點(diǎn)的最大變化。
圖4.單端ADC ac PSRR測(cè)試電路。
圖5.ADC ac PSRR響應(yīng)。
測(cè)試SiP以確定PSRR的挑戰(zhàn)在于：它們包含多個(gè)高達(dá)30 µF的內(nèi)部旁路電容，且大部分信號(hào)發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò)分析儀需要竭力在更高頻率下驅(qū)動(dòng)如此大的電容負(fù)載。
如何確定信號(hào)鏈µModule解決方案的PSRR特性
確定信號(hào)鏈µModule解決方案的PSRR特性時(shí)，使用的測(cè)試方法基本上與測(cè)試放大器時(shí)使用的方法相同。在直流電源電壓上疊加一個(gè)交流信號(hào)，然后測(cè)量電源激勵(lì)和µModule輸出之間的關(guān)系。但是，受內(nèi)部電源解耦電容影響，在電源的輸入頻率增加時(shí)，也需要信號(hào)源提供更高的電流驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部電容確實(shí)可以提高對(duì)ac PSRR的抗干擾能力，但該測(cè)試旨在考慮最糟糕的情況。
信號(hào)鏈µModule解決方案可用于各種應(yīng)用，所以在最終應(yīng)用中，必須和測(cè)試分立元件一樣測(cè)試SiP的PSRR。雖然包含多個(gè)分立元件，但很難預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)如何響應(yīng)交流電源激勵(lì)。
從特性表征角度來看，要正確測(cè)試PSRR，首要考慮因素包括內(nèi)部旁路電容和合適的評(píng)估板設(shè)計(jì)（本文的“評(píng)估板開發(fā)設(shè)計(jì)考量”一節(jié)會(huì)進(jìn)一步介紹評(píng)估板設(shè)計(jì)）。任何內(nèi)部旁路電容都會(huì)提高信號(hào)鏈µModule解決方案的ac PSRR，但這種電容也會(huì)影響執(zhí)行測(cè)試的方式。
如前所述，信號(hào)發(fā)生器不具備驅(qū)動(dòng)較大電容負(fù)載的能力。例如，如果信號(hào)鏈µModule解決方案的主電源上總共有3 µF內(nèi)部旁路電容，并且PSRR測(cè)試需要最高10 MHz頻率和50 mV p-p振幅。根據(jù)這些條件，生成正弦波的信號(hào)發(fā)生器需要能夠驅(qū)動(dòng)約4.71 A電流，并且具有足夠帶寬來處理10 MHz信號(hào)。這是基于解耦電容在10 MHz時(shí)的電阻得出。
要提供足夠電流，可以使用高功率放大器（例如ADA4870）來提供額外的源電流能力。此設(shè)置假設(shè)使用的函數(shù)發(fā)生器可以提供偏置DUT所需的直流電壓。如果不是這種情況，可以使用偏置器來隔離直流和交流信號(hào)路徑，或者可以從給定的信號(hào)發(fā)生器獲取可用的直流偏置，以滿足其他所需的輸出要求。
圖6.使用ADA4870的PSRR設(shè)置框圖。
ADA4870評(píng)估板具備SMA輸入和SMA輸出，因此能夠提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來連接評(píng)估板和信號(hào)發(fā)生器。
評(píng)估板開發(fā)設(shè)計(jì)考量
設(shè)計(jì)也可用于實(shí)施PSRR測(cè)試的評(píng)估板并不等于要大幅變更設(shè)計(jì)。牢記以下幾點(diǎn)：
● 對(duì)于要實(shí)施PSRR測(cè)試的每個(gè)電源，需提供一個(gè)通過SMA驅(qū)動(dòng)的選項(xiàng)，以保持信號(hào)源信號(hào)的完整性。
● 注意減少從SMA輸入到DUT上相關(guān)電源層這一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相關(guān)頻率產(chǎn)生干擾諧振。
● 對(duì)于每個(gè)電源，確保其相關(guān)電源層是整體，也就是說，不會(huì)被無源元件和多個(gè)層分成多個(gè)部分。例如，一個(gè)電流檢測(cè)電阻不應(yīng)橫跨兩個(gè)電源層（如圖7所示）。此外，盡量減少電源跨層的次數(shù)，避免通孔產(chǎn)生寄生電感，如圖8中的高頻模型所示。圖7所示的電阻可用于電流檢測(cè)，但在這種情況下，它們?yōu)? Ω。圖9顯示更好的PCB電源層布線，圖10則顯示高頻等效模型。
圖7.不良的電源層連接設(shè)計(jì)示例。/figcaption>
圖8.圖7的高頻等效原理圖。
圖9.優(yōu)化PCB電源層布線：更優(yōu)性能。
圖10.圖9的高頻等效原理圖。
必須在沒有DUT的情況下測(cè)試評(píng)估板，以確保相關(guān)頻率范圍內(nèi)沒有任何干擾諧振。如果存在諧振，應(yīng)在數(shù)據(jù)處理期間加以解決。對(duì)于每個(gè)頻率，都要通過示波器驗(yàn)證電源信號(hào)是否符合預(yù)期，不要相信信號(hào)發(fā)生器上的撥盤。
測(cè)試設(shè)置
如前所述，受測(cè)信號(hào)鏈µModule解決方案的電源必須能夠提供額定直流偏置，以便在最大輸入頻率下為DUT供電，為交流激勵(lì)提供足夠電流。要在圖中所示的設(shè)置中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需結(jié)合使用ADA4870評(píng)估板（同相增益為2）和AD3256函數(shù)發(fā)生器。
圖11顯示自定義的ADA4870功率放大器評(píng)估板和ADA4355評(píng)估板。
圖11.用于執(zhí)行PSRR測(cè)試的ADA4355評(píng)估板和ADA4870評(píng)估板。
圖12中所示的數(shù)據(jù)是通過捕捉每個(gè)輸入頻率下的數(shù)據(jù)并查看每個(gè)頻率下FFT (dBFS)的功率而生成的。可以使用公式4求解該頻率下的電壓電平：
利用得出的 VOUT_PSRR來計(jì)算PSRR：
圖12.ADA4355 PSRR測(cè)試結(jié)果。
結(jié)論
ADI公司的信號(hào)鏈µModule解決方案集成了信號(hào)調(diào)理、電源產(chǎn)生和無源內(nèi)部元件。這些一體化系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)有助于客戶在極小的PCB尺寸空間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)符合市場(chǎng)需求的預(yù)期性能。雖然信號(hào)鏈µModule解決方案簡(jiǎn)單易用，但必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試。盡管可以采用PSRR標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，但由于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備本身的限制，通常需要額外的電流驅(qū)動(dòng)能力。
參考電路
“運(yùn)算放大器電源電壓抑制比(PSRR)與電源電壓。”（ADI公司，2009年）
Reeder, Rob。“高速ADC的電源設(shè)計(jì)，” ADI公司，2012年2月。
Morita, Glenn。 “理解低壓差穩(wěn)壓器(LDO)概念，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。” 模擬對(duì)話,第48卷第12期，2014年12月。
Walsh, Alan。“在功率敏感型應(yīng)用中利用高效率、超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器為精密SAR ADC供電。” ADI公司，2016年3月。
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