带内部旁路电容的数据采集μModule器件的PSRR特性表征

2023-5-21 19:06| 发布者: 开心| 查看: 110| 评论: 0

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摘要: {本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}在优化数据采集(DAQ)系统时，设计人员必须仔细考虑电源对高精度性能的影响。电源电路中通常都包含低压差线性稳压器和DC-DC开关模式转换器的组合。开关模式转换器的一个缺点是：它们会产生输出纹波。虽然纹波 ...

{本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}在优化数据采集(DAQ)系统时，设计人员必须仔细考虑电源对高精度性能的影响。电源电路中通常都包含低压差线性稳压器和DC-DC开关模式转换器的组合。开关模式转换器的一个缺点是：它们会产生输出纹波。虽然纹波幅度相对较低，但它们会耦合到模拟信号路径的关键元件中，可能会破坏测量和降低性能。电源元件通常必须具备极低的噪声，并且在PCB的多个位置进行充分的电源去耦，以防止信号链的性能下降。电源电压抑制比(PSRR)是衡量系统抑制电源噪声和干扰能力的量化指标。随着DAQ解决方案通过系统级封装(SiP)技术发展成为更完整的信号链解决方案，可将电源去耦和精密信号链封装在一起，以提高整个系统的PSRR。 PSRR定义电源电压抑制比也称为电源纹波抑制，实质上是电源电压变化与输出电压的比值，用dB表示。以下公式定义了如何计算PSRR (A2V为电压增益）。

PSRR是一个重要的参数，用于量化电路对电源噪声和扰动的敏感度及其对电路输出的影响。通常在较宽的频率范围（直流到数MHz）内测量，PSRR会随频率升高而降低。系统设计人员经常在电路的电源节点中添加解耦电容，以减少可能耦合到敏感元件中的噪音和毛刺。对于放大器，将0.1 µF陶瓷电容放置在尽量靠近电源引脚的位置，以减少高频耦合。此外，为了提供低频解耦，可并联连接较大的10 μF钽电容，一般将其放置在更靠近电源的位置。 PSRR推动因素一些系统设计人员不愿使用高功耗、低噪声功率转换元件，其中一个原因是他们希望获得高功效比。电池供电的DAQ系统就是这种要求以低功耗获取高性能的应用，因此需要设计对电源噪声不敏感的DAQ系统。现代设备通常包含多个由同一电池供电的系统。在一定条件下，如果一个系统或设备的功耗增加，那么电池电压，以及由该电池供电的其他设备的电源电压都可能发生变化。由于这些原因，在设计系统的电池管理电路时，dc PSRR参数非常重要。设计人员可以根据系统的灵敏度，使用LDO稳压器来帮助消除压降。在电池供电系统中，如果需要纹波触发降压、升压或反相稳压器，则AC PSRR也是一个重要参数。对于工业应用，系统噪声是关键指标。例如，附近设备的电磁干扰(EMI)会与电源耦合，导致出现噪声杂散和其他误差。为了帮助最大限度减少这些噪声杂散，使用解耦电容和合适的PCB设计技术（例如接地、屏蔽，以及正确放置元件）非常重要。图1展示典型的精密数据采集系统信号链。各个元件都不同程度地受电源噪声的影响。添加合适的解耦电容，可以提高图1所示的信号链各元件在更高频率下的PSRR性能。

图1.典型的精密数据采集信号链。 ADI公司的信号链µModule®数据采集解决方案可以帮助解决一些电源设计难题，例如优化线路布局、添加解耦电容，以及在某些情况下，添加电源管理元件，例如LDO稳压器。ADAQ4003是一款µModule数据采集解决方案，所有电源都包含解耦电容，以降低其对扰动的敏感度。 ADAQ7980/ADAQ7988µModule数据采集系统包括解耦电容和一个LDO稳压器。集成式LDO稳压器可以进一步简化设计——系统设计人员只需提供一个干净电源为µModule器件供电，如果需要，还可以旁路LDO稳压器。当前测试分立元件PSRR的方法分立元件PSRR测试是特性表征计划中的常见组成部分，它采用一套完善的标准和方法进行。分立元件PSRR测试通常在没有任何外部电源去耦电容的情况下进行，以揭示供电轨上的大量噪声对性能的直接影响。通常，可以使用函数发生器和示波器，或者使用网络分析仪，通过向直流电源电压注入不同的频率，并测量DUT输出的扰动量来确定放大器的PSRR特性。

图2.分立式PSRR测试电路示例。对分立器件执行ac PSRR测试需要将交流信号注入直流电源电压，并测量相对于电源激励的输出干扰。例如，在100 kHz频率下，ADA4945的PSRR为115 dB。这意味着电源上1 VPEAK, 100 kHz的交流干扰表现为器件输出端约1.79 µVPEAK的电压信号。

图3.ADA4945全差分ADC驱动器的PSRR与频率的关系。测试ADC的PSRR性能与测试放大器类似，但它不是测试电压输出，而是数字码输出。对于ac PSRR，ADC的PSRR是该频率下ADC输出功率与该频率下施加于ADC VDD电源的200 mV p-p正弦波功率的比值。图4和图5分别显示SAR ADC的测试配置和得到的典型响应。

对于dc PSRR测试，误差是由于电源电压偏离标称值而引起的满量程转换点的最大变化。

图4.单端ADC ac PSRR测试电路。

图5.ADC ac PSRR响应。测试SiP以确定PSRR的挑战在于：它们包含多个高达30 µF的内部旁路电容，且大部分信号发生器和网络分析仪需要竭力在更高频率下驱动如此大的电容负载。如何确定信号链µModule解决方案的PSRR特性确定信号链µModule解决方案的PSRR特性时，使用的测试方法基本上与测试放大器时使用的方法相同。在直流电源电压上叠加一个交流信号，然后测量电源激励和µModule输出之间的关系。但是，受内部电源解耦电容影响，在电源的输入频率增加时，也需要信号源提供更高的电流驱动能力。内部电容确实可以提高对ac PSRR的抗干扰能力，但该测试旨在考虑最糟糕的情况。信号链µModule解决方案可用于各种应用，所以在最终应用中，必须和测试分立元件一样测试SiP的PSRR。虽然包含多个分立元件，但很难预测整个系统会如何响应交流电源激励。从特性表征角度来看，要正确测试PSRR，首要考虑因素包括内部旁路电容和合适的评估板设计（本文的

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