電源提示：使用頻率分析儀進行簡單的 PSRR 測量

電源抑制比 (PSRR) 是電源抑制輸入端紋波電壓的能力。

如果運算放大器的電源發(fā)生變化，輸出不應變化，但實際上通常會發(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。無量綱比通常稱為電源電壓抑制比(PSRR)，以dB表示時則稱為電源電壓抑制(PSR)。但是，PSRR和PSR幾乎總能互換使用，半導體行業(yè)很少有相關(guān)標準。

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

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

對于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器,要求開關(guān)電路及運算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時,對輸出的電壓影響極小.通常把滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比稱為電源抑制比.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(比如標稱電壓為5V),在讀取一個測量值Vi1，與之對應，在輸出端測得電壓值為Vo1;然后在電源電壓上疊加一個頻率為100HZ,有效值為200mV的信號,并讀取第二個測量值Vi1,與之對應在輸出端測得電壓值Vo2, 按測量誤差公式

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數(shù) / 電源電壓變化的百分數(shù)

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

直流電源抑制比(DCPSR)先在標稱電源電壓(5V)的情況下,讀一個輸出測量值,然后使電源電壓變化 5%,在相同的輸入信號電平下讀取第二個輸出測量值,按測量誤差公式(同上題公式)計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運算放大器的輸入而言的.

這個參數(shù)反映了電源電壓出現(xiàn)一定變化量時輸入失衡電壓相應產(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的輸入失衡電壓量.

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

這通常通過添加一個與輸入源串聯(lián)的大電流功率放大器來完成，用來自信號分析儀的掃頻信號驅(qū)動它，并在每個測量頻率測量V IN與 V OUT的比率。然而，這些功率放大器價格昂貴，并且在測試過程中容易損壞。在這篇文章中，我將解釋如何通過重新利用電壓環(huán)路分析儀并進行一些低成本修改來省去功率放大器。

測試設(shè)置

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

圖 1：測試設(shè)置

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

通常，Bode 盒設(shè)置為在 V1 和 V2 之間注入隔離信號，并將 V1 和 V2 信號和來自被測轉(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，只需三個連接到被測轉(zhuǎn)換器即可測量環(huán)路增益。

但是，將這些相同的連接用于信號注入和測量可能會引入錯誤，如文章“電源提示：連接線如何影響波特圖測量”中所述。作者 Manjing Xie 建議僅將變壓器連接用于注入信號，并使用單獨的連接來測量 V1 和 V2。

對于 V OUT未連接到注入變壓器點的 PSRR 測量，V2 測量在任何情況下都需要與變壓器連接分開。在我的測試中，我通過 Bode 盒注入信號，并使用單獨的連接來測量 V1 (V IN ) 和 V2 (V OUT )。

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

我在 1.0V 輸出的空載和 2.6A 負載下進行了測試。

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

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

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

· 對于 100kHz 至 1MHz 范圍，我使用了 1kHz 至 100kHz 波德箱（型號 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)顯示為藍色。

圖 2：修改后的 TPS40041 EVM 在 2.6A 負載下的 PSRR

圖 3：修改后的 TPS40041 EVM 在空載時的 PSRR

空載和 2.6A 負載的增益和相位模式非常相似，空載時衰減稍好，最多約 3 dB。

TPS40041降壓 DC/DC 控制器沒有前饋輸入電壓補償，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。對于具有前饋補償?shù)目刂破鳎ɡ鏣PS40170 PWM 降壓控制器），我們應該期望得到更大改進的 PSRR。

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