電源提示：使用頻率分析儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的 PSRR 測(cè)量

電源抑制比 (PSRR) 是電源抑制輸入端紋波電壓的能力。

如果運(yùn)算放大器的電源發(fā)生變化，輸出不應(yīng)變化，但實(shí)際上通常會(huì)發(fā)生變化。如果X V的電源電壓變化產(chǎn)生Y V的輸出電壓變化，則該電源的PSRR(折合到輸出端)為X/Y。無(wú)量綱比通常稱(chēng)為電源電壓抑制比(PSRR)，以dB表示時(shí)則稱(chēng)為電源電壓抑制(PSR)。但是，PSRR和PSR幾乎總能互換使用，半導(dǎo)體行業(yè)很少有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio):把電源的輸入與輸出看作獨(dú)立的信號(hào)源，輸入與輸出的紋波比值即是PSRR，通常用對(duì)數(shù)形式表示，單位是dB。

PSRR=20log{[ripple(in)/ripple(out)]}

對(duì)于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器,要求開(kāi)關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí),對(duì)輸出的電壓影響極小.通常把滿(mǎn)量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱(chēng)為電源抑制比.電源抑制比可分為交流電源抑制比和直流電源抑制比,其具體意思如下.

交流電源抑制比(ACPSR)

先在供電電源端(比如標(biāo)稱(chēng)電壓為5V),在讀取一個(gè)測(cè)量值Vi1，與之對(duì)應(yīng)，在輸出端測(cè)得電壓值為Vo1;然后在電源電壓上疊加一個(gè)頻率為100HZ,有效值為200mV的信號(hào),并讀取第二個(gè)測(cè)量值Vi1,與之對(duì)應(yīng)在輸出端測(cè)得電壓值Vo2, 按測(cè)量誤差公式

輸出端百分誤差=(Vo2 -Vo1) /Vo1

電源端百分誤差=(Vo2 -Vo1) /Vo1

電源抑制比=輸出端電壓變化的百分?jǐn)?shù) / 電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)

注意:電源電壓變化不是輸入信號(hào)電壓變化，PSRR表征的是電源電壓不穩(wěn)定對(duì)輸出的影響。

直流電源抑制比(DCPSR)先在標(biāo)稱(chēng)電源電壓(5V)的情況下,讀一個(gè)輸出測(cè)量值,然后使電源電壓變化 5%,在相同的輸入信號(hào)電平下讀取第二個(gè)輸出測(cè)量值,按測(cè)量誤差公式(同上題公式)計(jì)算得到的百分誤差即為直流電源抑制比.

電源抑制比功用和計(jì)算

與其它的失衡量一樣,參數(shù)規(guī)范中的電源抑制比也是針對(duì)運(yùn)算放大器的輸入而言的.

這個(gè)參數(shù)反映了電源電壓出現(xiàn)一定變化量時(shí)輸入失衡電壓相應(yīng)產(chǎn)生多大的變化量.在規(guī)定為1V的電源電壓改變量除以按微伏計(jì)的輸入失衡電壓量.

輸出電壓誤差的計(jì)算方法如同電壓失衡與漂移的計(jì)算方法.外部電源的調(diào)整率會(huì)以電源抑制比的形式直接轉(zhuǎn)變成運(yùn)算放大器網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差.

這通常通過(guò)添加一個(gè)與輸入源串聯(lián)的大電流功率放大器來(lái)完成，用來(lái)自信號(hào)分析儀的掃頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)它，并在每個(gè)測(cè)量頻率測(cè)量V IN與 V OUT的比率。然而，這些功率放大器價(jià)格昂貴，并且在測(cè)試過(guò)程中容易損壞。在這篇文章中，我將解釋如何通過(guò)重新利用電壓環(huán)路分析儀并進(jìn)行一些低成本修改來(lái)省去功率放大器。

測(cè)試設(shè)置

請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖 1：我在輸入端串聯(lián)了一個(gè)小電阻，以在 V IN處應(yīng)用由信號(hào)變壓器注入的掃頻 AC（交流電）信號(hào)。信號(hào)實(shí)際上施加在小電阻上。我串聯(lián)了三個(gè) 0.15Ω 電阻，每個(gè)額定功率為 3W，得到 0.45Ω。我調(diào)整了輸入以在 DC/DC（直流到直流）轉(zhuǎn)換器輸入處實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 3.3V。

圖 1：測(cè)試設(shè)置

我使用了帶有“Bode 盒”的 Venable 3120 頻率分析儀并進(jìn)行了一些修改。

通常，Bode 盒設(shè)置為在 V1 和 V2 之間注入隔離信號(hào)，并將 V1 和 V2 信號(hào)和來(lái)自被測(cè)轉(zhuǎn)換器的接地連接到頻率分析儀的 V1 和 V2 以及接地輸入。這樣一來(lái)，只需三個(gè)連接到被測(cè)轉(zhuǎn)換器即可測(cè)量環(huán)路增益。

但是，將這些相同的連接用于信號(hào)注入和測(cè)量可能會(huì)引入錯(cuò)誤，如文章“電源提示：連接線如何影響波特圖測(cè)量”中所述。作者 Manjing Xie 建議僅將變壓器連接用于注入信號(hào)，并使用單獨(dú)的連接來(lái)測(cè)量 V1 和 V2。

對(duì)于 V OUT未連接到注入變壓器點(diǎn)的 PSRR 測(cè)量，V2 測(cè)量在任何情況下都需要與變壓器連接分開(kāi)。在我的測(cè)試中，我通過(guò) Bode 盒注入信號(hào)，并使用單獨(dú)的連接來(lái)測(cè)量 V1 (V IN ) 和 V2 (V OUT )。

我使用TPS40041 EVM – 001評(píng)估模塊，將 R5 從 10k 修改為 30.1k，將 V OUT從 1.8V 更改為 1.0V。開(kāi)關(guān)頻率為 565-567kHz。

我在 1.0V 輸出的空載和 2.6A 負(fù)載下進(jìn)行了測(cè)試。

我在 Venable 3120 上針對(duì)不同的頻率范圍使用了以下發(fā)生器設(shè)置和波德框，并在每個(gè)頻率十倍頻上采集了 20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：

· 對(duì)于 100Hz 到 1kHz 范圍，我使用了 100Hz 到 10kHz 波德箱（型號(hào) 200-002）和 1V RMS（均方根）。

· 對(duì)于 1kHz 至 100kHz 范圍，我使用了 1kHz 至 100kHz 波德箱（型號(hào) 200-003）和 1V RMS 的發(fā)生器。

· 對(duì)于 100kHz 至 1MHz 范圍，我使用了 1kHz 至 100kHz 波德箱（型號(hào) 200-003）和 10V RMS 的發(fā)生器。

PSRR 結(jié)果如下圖 2 所示，1.0 V OUT下 2.6A 負(fù)載，圖 3 空載。V OUT /V IN in的比率以 dB（分貝）為單位以紅色顯示。相位關(guān)系以度數(shù)顯示為藍(lán)色。

圖 2：修改后的 TPS40041 EVM 在 2.6A 負(fù)載下的 PSRR

圖 3：修改后的 TPS40041 EVM 在空載時(shí)的 PSRR

空載和 2.6A 負(fù)載的增益和相位模式非常相似，空載時(shí)衰減稍好，最多約 3 dB。

TPS40041降壓 DC/DC 控制器沒(méi)有前饋輸入電壓補(bǔ)償，其中脈寬調(diào)制器斜坡與 V IN 成比例，以改善輸入電壓抑制。對(duì)于具有前饋補(bǔ)償?shù)目刂破鳎ɡ鏣PS40170 PWM 降壓控制器），我們應(yīng)該期望得到更大改進(jìn)的 PSRR。

現(xiàn)在，我們應(yīng)該能夠通過(guò)重新使用電壓環(huán)路分析儀并進(jìn)行一些低成本修改來(lái)消除功率放大器。