如何通過(guò)低噪聲和低紋波設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)電源和信號(hào)完整性

工程師在為采用時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器的醫(yī)療應(yīng)用、測(cè)試和測(cè)量以及無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的噪聲敏感型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是如何提高準(zhǔn)確度和精度，并最大限度降低系統(tǒng)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10Hz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)，先后采用直流/直流轉(zhuǎn)換器（或模塊）、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)（例如 TPS7A94、TPS7A82、TPS7A84、TPS7A52、TPS7A53 或 TPS7A54）和鐵氧體磁珠濾波器的布置，如圖 1 所示。這種設(shè)計(jì)方法最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 在典型的模擬前端應(yīng)用中會(huì)增加 1.5W 的功率損失。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（DC/DC）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)換器或模塊替換 LDO

防止產(chǎn)生功率損耗的一種方法是最大限度減少通過(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 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器或模塊代替設(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，用于最大限度減少進(jìn)入誤差放大器的噪聲。TPS62912 和 TPS62913 系列的低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器以及 TPSM82912 和 TPSM82913 模塊使用降噪/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。如果 TPS62913 或 TPSM82913 仍無(wú)法滿足您的低噪聲要求，您可以使用具有更低壓降和功耗的低噪聲 LDO（如 TPS7A94），這樣仍可實(shí)現(xiàn)超低噪聲。 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào) SBVA099 對(duì)此進(jìn)行了更詳細(xì)的說(shuō)明。

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(kāi)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DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)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)換器以及 TPSM82913 模塊通過(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。