減少高速信號(hào)鏈電源可能出現(xiàn)的問題

我們?cè)趯?shí)際做項(xiàng)目中，是否曾經(jīng)遇到過信號(hào)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(hào)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(hào)鏈設(shè)計(jì)可以具有以下兩個(gè)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(diǎn)介紹電源與信號(hào)鏈的交互以及如何實(shí)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(hào)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(gè)主要成分，熱噪聲和開關(guān)噪聲。每個(gè)組件可能對(duì)最終應(yīng)用程序產(chǎn)生不同的影響，因此消除一個(gè)與另一個(gè)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(hào)鏈中使用平均技術(shù)，那么我們的系統(tǒng)可能對(duì)熱噪聲不太敏感，但開關(guān)噪聲會(huì)產(chǎn)生鬼信號(hào)。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(huì)嚴(yán)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(dòng)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(gè)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(jì)需要在我們指定的電流下壓差小于 100mV。請(qǐng)注意，LDO 的傳輸元件(和其他封裝寄生)會(huì)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(shí)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(fù)載下的壓差低于 200mV。例如，TPS7A8300 在 2A 時(shí)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(shí)不需要)，則最大壓差變?yōu)?125mV(見表 1)。在為標(biāo)稱運(yùn)行設(shè)置穩(wěn)壓器兩端的壓降時(shí)，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(qǐng)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(qǐng)注意，這里沒有顯示接地電流?？梢岳斫猓偸潜蓉?fù)載電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種簡(jiǎn)化不適用于輕負(fù)載，因此在使用此公式時(shí)請(qǐng)記住這一點(diǎn)。

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(yùn)行，這意味著對(duì)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(huì)增加。當(dāng)使用 1.8V 輸出電壓時(shí)，保持 LDO 上的相同電壓降可將效率提高到 87.8%。

通過在信號(hào)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(shí)為 60dB)的低噪聲 LDO(6μV RMS TPS7A8300)驅(qū)動(dòng)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(shí)在信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)更高的性能。 與 LDO 相比，系統(tǒng)的功耗成本最小，因?yàn)?π 濾波器還具有寄生電阻。

當(dāng)系統(tǒng)未按預(yù)期運(yùn)行并且無法在信號(hào)路徑中找到解決方案時(shí)，對(duì)電源路徑進(jìn)行分析可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(jí)，還是作為為信號(hào)路徑供電的附加級(jí)，都可以提高系統(tǒng)性能，而無需對(duì)信號(hào)路徑進(jìn)行任何重大升級(jí)。