电源对系统的影响.doc

电源对系统的影响系统级硬件设计师在他们的应用设计中，需要非常小心地选择正确的模拟信号路径IC。无论是设计消费电子MP3播放器还是医疗超声设备，工程师在保证高性能的同时需要做出正确的权衡。在对信噪比、分辨率、总谐波失真(THD)、输入偏移电压、抖动和电源电流等指标做出评估和划定优先级后，才可以进行模拟信号路径IC的选择。选择正确的信号路径IC可以为用户带来最佳的视觉和声音效果体验。但是，另外一个不可忽视的考虑因素是，每个信号路径IC需要“干净”的电源。而通常，电源管理是系统设计的最后部分。图1显示了如何为信号路径供电的实例系统。电源影响信号路径性能并不意外的是，电源影响模拟信号完整性，这最终会影响整体的系统性能。提高信号路径性能的一种简单方法是选择正确的电源。在选择电源时，影响模拟信号路径性能的一个关键参数是电源线上的噪声或纹波。电源线上的噪声或纹波可以耦合到运算放大器的输出中，增加锁相环(PLL)或压控振荡器(VCO)的抖动，或者降低ADC的SNR（信噪比）。低噪声和低纹波的电源还能改善信号路径性能。电源线上的噪声或纹波的来源具有多样性。在系统内的高速数据和高频信号本身会产生噪声，PCB的印制线和连接线如果设计不当，可以形成发射天线的效应。数字IC，例如微控制器和现场可编程门阵列(FPGA)以及复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有很快的边沿跳变速度，电流的大小变化很大，将产生电磁干扰辐射到系统中。IC硅片在内部产生热噪声，这是由于在温度高于绝对0摄氏度时分子的随机运动和碰撞产生的。有三种常用的方法来使信号路径中的噪声和纹波最小：非常仔细的系统PCB布局、恰当的电源旁路处理以及正确的电源选择。尽管PCB的具体设计取决于系统，但就一般而言，PCB的布局需要考虑包括正确的器件布局、使信号路径连接线的长度最小以及采用实体的地等。对电源轨进行旁路处理是一种常用的方法，这种方法通常在模拟IC产品手册中被推荐用于滤出噪声。信号路径IC可以具有分离的模拟、数字和PLL电源输入，建议每个采用自己独立的旁路处理。PLL电源和模拟电源对噪声和纹波最敏感。旁路电容、阻容(RC)滤波器以及EMI抑制滤波器使进入信号路径的电源噪声最小化。正确的电源选择可以降低对信号路径IC的噪声和纹波影响。在选择一种电源时，设计师首先在开关变换器和线性稳压器之间作一个基本选择。开关转换器提供较高的频率，更高的频率意味着较低的整体系统功耗。线性稳压器提供一种易于使用的解决方案，同时降低电源轨的噪声/纹波。使用线性稳压器降低噪声和纹波可以改善信号路径性能。电源抑制比模拟信号路径IC规定了在电源线上能更好地抑制噪声和纹波，这些参数称为电源抑制比(PSRR)，见图2。这个参数值是进入到器件的噪声/纹波与从器件输出的噪声/纹波的比值。PSRR用分贝(dB)为单位度量，公式为：其中V1是输入电压的变化，V2是输出电压的变化。使用这个等式产生一个负值。如果你看到某些提供商规定的PSRR为正值时不必担心，这意味着他们使用V2/V1，而不是V1/V2。取PSRR的绝对值以避免混淆。设计师希望更高绝对值的PSRR，这意味着在输出上具有更低的噪声/纹波。例如， 80dB(输出纹波低于输入纹波的万分之一)比20dB(输出纹波低于输入纹波的十分之一)更好。图3显示了高精度运放LMP7711的PSRR图。LMP7711是一种高精度运放，在1kHz下具有90dB的PSRR。需要注意的两点是：对于正的或负的电压轨都存在PSRR，随着纹波频率的增加PSRR逐渐衰减(绝对值降低)。使用线性稳压器来对信号路径供电降低了噪声/纹波，这是因为线性稳压器在其输入到输出过程中能抑制噪声/纹波。LP5900是一种低噪声100mA LDO，在1kHz下的PSRR为85dB。使用LP5900(低噪声LDO)来对LMP2011(高精度运放)来供电降低了电源上的噪声/纹波(图 4)。1kHz纹波/噪声被LDO抑制了85dB，被运算放大器抑制了90dB。低噪声线性稳压器在应用中提高信号路径性能的一种简单方法是使用线性稳压器来对信号路径IC供电。线性稳压器提供一种简单的方法来产生所需要的电压轨，同时还能抑制电源线上的噪声/纹波。LP5900是美国国家半导体公司推出的一款低噪声线性稳压器，可为模拟及射频信号路径的集成电路供电，适用于低噪声放大器、压控振荡器及射频接收器等集成电路。通过正确的电路设计和外部电容选择，该器件能有效地改善信号路径的噪声/纹波性能(图6)。该器件具有业界公认最低输出噪声和良好的电源纹波抑制能力，静态电流低至25mA。LP5900线性稳压器的输出噪声低至6.5mVRMS，而且无需另外加设旁路电容器，但电源抑制比高达75dB。这款芯片内置两个0.47mF陶瓷电容器，体积小巧，占用电路板面积较少，有助于节省物料成本。此外，LP5900的压降只有80mV，可以利用极低的供电电压提供稳压供电。即使在最恶劣的情况下，输出电压准确度都不会超过3%，而且输出电流可达100mA。加在VIN和GND之间的电压应该比输出电压VOUT至少高1V，最高不超过 5.5V，最低的工作电压为2.5V。负载可以连接到VOUT，以GND为电压基准。LP5900特别设计用于便携式应用，以满足这些应用对最小占板面积、最少器件数量的要求。像任何低压差稳压器一样，LP5900需要外部电容来提供电压稳定性。这些电容包括输入电容和输出电容，必须正确地选择这些电容以获得最佳的性能。下面给出这些电容的选择考虑因素。采用输入电容是为了获得很好的稳定性，输入电容应该至少等于或者大于输出电容。推荐采用0.47mF的电容连接在输入管脚和地之间。LP5900通过特别的设计允许采用小的陶瓷电容用于电压输出端，应用电路中适合采用0.47mF到10mF，等效串联阻抗为5m到50