我們在實際做項目中，是否曾經(jīng)遇到過信號鏈性能不足的情況，卻發(fā)現(xiàn)問題出在電源上?在這篇文章中，我將描述信號鏈中由于電源而遇到的一些問題以及如何解決這些問題。
高速信號鏈設(shè)計可以具有以下兩個元素：1) 帶有放大器和 ADC 的接收路徑或 2) 帶有 DAC 和放大器的發(fā)送路徑。以下重點介紹電源與信號鏈的交互以及如何實現(xiàn)最佳性能。
從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器噪聲頻譜開始，我們看到電源噪聲源與信號鏈中的噪聲源相同：
熱噪聲：
· 1/f 從 DC 到 ~1kHz
· 平帶噪聲至 30kHz
· 然后通過誤差放大器的有限帶寬滾降熱噪聲
DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率和諧波處存在的開關(guān)噪聲。
噪聲有兩個主要成分，熱噪聲和開關(guān)噪聲。每個組件可能對最終應(yīng)用程序產(chǎn)生不同的影響，因此消除一個與另一個可能在我們的應(yīng)用程序中更為關(guān)鍵。
如果最終應(yīng)用在信號鏈中使用平均技術(shù)，那么我們的系統(tǒng)可能對熱噪聲不太敏感，但開關(guān)噪聲會產(chǎn)生鬼信號。如果我們的系統(tǒng)分辨率較低(8 位到 10 位)，那么熱噪聲和開關(guān)噪聲都不會嚴重影響我們的系統(tǒng)性能，并且 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能與電源一樣足夠。如果我們以需要高動態(tài)范圍的高速傳輸數(shù)據(jù)，我們的系統(tǒng)將需要比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更好的性能。在這種情況下，需要在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之后插入一個線性穩(wěn)壓器，以降低熱噪聲和紋波噪聲。
這就是低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 發(fā)揮作用的地方。為獲得最佳電源效率，設(shè)計需要在我們指定的電流下壓差小于 100mV。請注意，LDO 的傳輸元件(和其他封裝寄生)會產(chǎn)生與輸出電流線性相關(guān)的電壓降。這意味著 1A 的 1V 壓差(不是低壓差 LDO)在 100mA 時只有 100mV 的壓差。在本例中，傳輸元件將具有 1Ω 斜率。
現(xiàn)代低壓差穩(wěn)壓器在最大負載下的壓差低于 200mV。例如，TPS7A8300 在 2A 時具有最大 200mV(在任何輸入電壓、溫度和其他工作條件下)。如果使用偏置電壓(電源電壓高于 1.4V 時不需要)，則最大壓差變?yōu)?125mV(見表 1)。在為標稱運行設(shè)置穩(wěn)壓器兩端的壓降時，我們需要考慮輸入電源容差、輸出電源容差和交流性能，例如 PSRR。電壓降越大，PSRR 性能越好。請注意，高電壓降也是更高功耗的代名詞。
任何 LDO 熱耗散都可以近似為：
請注意，這里沒有顯示接地電流?？梢岳斫猓偸潜蓉撦d電流小幾個數(shù)量級。這種簡化不適用于輕負載，因此在使用此公式時請記住這一點。
那么效率就變成了：
使用如TPS7A8300所示的壓降電壓，可以在 LDO 兩端的 250mV 壓降下運行，這意味著對于 1.25V 輸出電壓，效率為 83.34%。隨著輸出電壓的增加，效率也會增加。當使用 1.8V 輸出電壓時，保持 LDO 上的相同電壓降可將效率提高到 87.8%。
通過在信號鏈電源的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之后使用 LDO，系統(tǒng)將表現(xiàn)出更低的熱噪聲或開關(guān)噪聲。顯示了具有出色 PSRR(1MHz 時為 60dB)的低噪聲 LDO(6μV RMS TPS7A8300)驅(qū)動高速 DAC DAC38J84，其結(jié)果與電壓紋波通過雙 π-衰減的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相比較。篩選。
使用 LDO 而不是 π 濾波器，可以縮小 PCB 布局，同時在信號鏈中實現(xiàn)更高的性能。 與 LDO 相比，系統(tǒng)的功耗成本最小，因為 π 濾波器還具有寄生電阻。
當系統(tǒng)未按預(yù)期運行并且無法在信號路徑中找到解決方案時，對電源路徑進行分析可能會導(dǎo)致信號鏈性能受到限制。使用高性能 LDO，無論是作為現(xiàn)有 LDO 的升級，還是作為為信號路徑供電的附加級，都可以提高系統(tǒng)性能，而無需對信號路徑進行任何重大升級。
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