作者：Naveed Naeem and Samantha Fontaine

在優(yōu)化數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮電源對(duì)高精度性能的影響。通常，電源電路包括低壓差線性穩(wěn)壓器和DC-DC開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的組合。開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生輸出紋波。雖然紋波幅度相對(duì)較低，但它們會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑中的關(guān)鍵組件中，從而可能破壞測(cè)量并影響性能。電源組件通常必須具有低噪聲，并在PCB上的多個(gè)位置進(jìn)行充分的電源去耦，以防止信號(hào)鏈的性能下降。

電源抑制比（PSRR）是量化系統(tǒng)抑制電源噪聲和擾動(dòng)能力的指標(biāo)。隨著DAQ解決方案通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)發(fā)展成為更完整的信號(hào)鏈解決方案，電源去耦可以與精密信號(hào)鏈共同封裝，以改善整個(gè)系統(tǒng)的PSRR。

PSRR 定義

電源抑制比，也稱(chēng)為電源紋波抑制，本質(zhì)上是電源電壓變化與輸出電壓的比值，以dB表示。

以下公式定義了如何計(jì)算 PSRR （A2V是電壓增益）。

PSRR是量化電路對(duì)電源噪聲和擾動(dòng)的靈敏度以及它如何影響電路輸出的關(guān)鍵參數(shù)。它通常在從直流到幾MHz的寬頻率范圍內(nèi)測(cè)量，PSRR在較高頻率下往往會(huì)降低。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在其電路的電源節(jié)點(diǎn)上添加去耦電容，以減少可能耦合到敏感元件中的噪聲和毛刺。對(duì)于放大器，0.1 μF陶瓷電容放置在盡可能靠近電源引腳的位置，以減少高頻耦合。此外，為了提供低頻去耦，大型10 μF鉭電容并聯(lián)連接，通常放置在更靠近電源的位置。

PSRR動(dòng)機(jī)

對(duì)電源效率的渴望是一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)法容忍高功率、低噪聲電源轉(zhuǎn)換組件的原因之一。電池供電的DAQ系統(tǒng)是需要低功耗高性能的應(yīng)用示例，這是設(shè)計(jì)對(duì)電源噪聲靈敏度較低的DAQ的重要?jiǎng)恿Α?/p>

現(xiàn)代設(shè)備通常包括由同一電池供電的多個(gè)系統(tǒng)。如果一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的電流消耗在特定條件下增加，則電池電壓以及由該電池供電的其他設(shè)備的任何電源電壓可能會(huì)發(fā)生變化。由于這些原因，直流PSRR在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電池管理電路時(shí)非常重要。根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度，設(shè)計(jì)人員可以使用LDO穩(wěn)壓器來(lái)幫助應(yīng)對(duì)壓降。交流PSRR也是電池供電系統(tǒng)中需要紋波感應(yīng)降壓、升壓或反相穩(wěn)壓器的重要規(guī)格。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)噪聲是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。例如，來(lái)自附近來(lái)源的電磁干擾（EMI）可能會(huì)耦合到電源，從而導(dǎo)致噪聲雜散和其他誤差。為了幫助最大限度地減少這些噪聲雜散，使用去耦電容和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)技術(shù)（如接地、屏蔽和正確的元件放置）非常重要。

圖1顯示了一個(gè)典型的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)鏈。每個(gè)組件受電源噪聲的影響程度不同。添加適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙菘筛纳菩盘?hào)鏈中每個(gè)元件在較高頻率下的PSRR性能，如圖1所示。

圖1.典型精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。

ADI公司的信號(hào)鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案有助于解決一些電源設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，例如優(yōu)化走線布局、增加去耦電容，以及在某些情況下，電源管理元件，如LDO穩(wěn)壓器。ADAQ4003是一款μModule數(shù)據(jù)采集解決方案，在所有電源上均包括去耦電容，以降低其對(duì)擾動(dòng)的敏感性。ADAQ7980/ADAQ7988 μModule數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括去耦電容和LDO穩(wěn)壓器。集成的LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需提供一個(gè)干凈的電源即可為μModule器件供電，如果需要，他們可以自由地繞過(guò)LDO穩(wěn)壓器。?

在分立元件上測(cè)試PSRR的當(dāng)前方法

分立元件的PSRR測(cè)試是表征計(jì)劃中的一個(gè)常見(jiàn)特征，因?yàn)樗昧艘惶壮墒斓臉?biāo)準(zhǔn)和方法。分立元件的PSRR測(cè)試通常在沒(méi)有任何外部電源去耦電容的情況下進(jìn)行，有意揭示電源軌上大量噪聲對(duì)性能的直接影響。

通常，函數(shù)發(fā)生器和示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征放大器的PSRR，方法是將各種頻率音注入直流電源電壓并測(cè)量DUT輸出端的擾動(dòng)量。

圖2.分立式PSRR測(cè)試電路示例。

對(duì)分立器件執(zhí)行交流PSRR測(cè)試需要將交流信號(hào)注入直流電源電壓，并測(cè)量相對(duì)于電源激勵(lì)的輸出干擾。例如，ADA4945在頻率為100 kHz時(shí)的PSRR為115 dB。這意味著 1 V峰，電源上的 100 kHz 交流干擾表現(xiàn)為大約 1.79 μV峰設(shè)備輸出端的信號(hào)。

圖3.全差分ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4945的PSRR與頻率的關(guān)系

測(cè)試ADC的PSRR性能類(lèi)似于測(cè)試放大器，但它不是電壓輸出，而是編碼輸出。對(duì)于交流PSRR，ADC的PSRR是ADC輸出頻率處的功率與施加在ADC V上的200 mV p-p正弦波的功率之比DD頻率供應(yīng)。圖4和圖5分別顯示了SAR ADC的測(cè)試配置和由此產(chǎn)生的典型響應(yīng)。

對(duì)于直流PSRR測(cè)試，誤差是由于電源電壓與標(biāo)稱(chēng)值的變化而導(dǎo)致的滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換點(diǎn)的最大變化。

圖4.單端ADC交流PSRR測(cè)試電路。

圖5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器交流噪聲抑制比響應(yīng)。

測(cè)試SiP的PSRR的挑戰(zhàn)在于它們包含多個(gè)高達(dá)30 μF的內(nèi)部旁路電容，大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò)分析儀都難以在更高頻率下驅(qū)動(dòng)如此大的容性負(fù)載。

如何表征信號(hào)鏈μ模塊解決方案的PSRR

在表征信號(hào)鏈μModule解決方案的PSRR時(shí)，測(cè)試方法與測(cè)試放大器基本相同。交流信號(hào)疊加在直流電源電壓上，并測(cè)量電源激勵(lì)與μModule輸出之間的關(guān)系。然而，由于內(nèi)部電源去耦電容，隨著進(jìn)入電源的輸入頻率增加，對(duì)信號(hào)源電流驅(qū)動(dòng)能力的需求也隨之增加。內(nèi)部電容確實(shí)提高了對(duì)交流PSRR的抗擾度，但該測(cè)試旨在考慮最壞的情況。

信號(hào)鏈μModule解決方案可應(yīng)用于各種應(yīng)用，因此SiP的PSRR測(cè)試必須類(lèi)似于最終應(yīng)用中的分立器件。雖然有多個(gè)分立元件，但很難預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)將如何響應(yīng)交流電源激勵(lì)。

從特性分析的角度來(lái)看，內(nèi)部旁路電容和適當(dāng)?shù)脑u(píng)估板設(shè)計(jì)是正確測(cè)試PSRR時(shí)要考慮的最重要因素（本文“評(píng)估板開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)考慮因素”部分將進(jìn)一步介紹評(píng)估板設(shè)計(jì)）。任何內(nèi)部旁路電容都會(huì)改善信號(hào)鏈μModule解決方案的交流PSRR，但該電容會(huì)影響測(cè)試的執(zhí)行方式。

如前所述，信號(hào)發(fā)生器不具備驅(qū)動(dòng)更大容性負(fù)載的能力。例如，考慮一個(gè)信號(hào)鏈μModule解決方案，其主電源上的內(nèi)部旁路電容總計(jì)為3 μF，PSRR測(cè)試要求最大頻率為10 MHz，幅度為50 mV p-p。基于這些條件，產(chǎn)生正弦波的信號(hào)發(fā)生器需要能夠驅(qū)動(dòng)大約4.71 A的電流，并具有足夠的帶寬來(lái)處理10 MHz信號(hào)。這是基于去耦電容在10 MHz時(shí)的阻抗。

為了提供足夠的電流，可以使用ADA4870等高功率放大器來(lái)提供額外的電流源能力。此設(shè)置假設(shè)所使用的函數(shù)發(fā)生器可以提供必要的直流電壓來(lái)偏置您的 DUT。如果不是這種情況，可以使用偏置三通來(lái)隔離直流和交流信號(hào)路徑，或者您可以從給定的信號(hào)發(fā)生器獲得可用的直流偏置，否則可以滿(mǎn)足其他必要的輸出要求。

圖6.采用ADA4870的PSRR設(shè)置框圖

使用ADA4870評(píng)估板可以相對(duì)輕松地與評(píng)估板和信號(hào)發(fā)生器連接，因?yàn)樗哂蠸MA輸入和SMA輸出。

評(píng)估板開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)考慮因素

設(shè)計(jì)也可用于交流PSRR測(cè)試的評(píng)估板并不是大幅改變?cè)O(shè)計(jì)的理由。要記住的一些關(guān)鍵點(diǎn)是：

對(duì)于要測(cè)試PSRR的每個(gè)電源，提供通過(guò)SMA驅(qū)動(dòng)它的選項(xiàng)，以保持信號(hào)源的信號(hào)完整性。

仔細(xì)注意減少?gòu)腟MA輸入到DUT上相關(guān)電源層的路徑中的任何寄生電感和電容。任何寄生電容或電感都可能在目標(biāo)頻率上引起不必要的諧振。

對(duì)于每個(gè)電源，確保其相關(guān)的電源層是穩(wěn)定的，也就是說(shuō)，不要通過(guò)無(wú)源元件和多層分成多個(gè)部分。例如，電流檢測(cè)電阻不應(yīng)跨越兩個(gè)電源層（如圖7所示）。此外，應(yīng)盡量減少電源跨層的次數(shù)，以避免過(guò)孔引起的寄生電感，如圖8所示的高頻模型所示。圖7所示的電阻可用于電流檢測(cè)，但在本例中，電阻為0 Ω。圖9顯示了更好的PCB電源層布線，而圖10顯示了高頻等效模型。

圖7.電源層連接不良設(shè)計(jì)示例。

圖8.高頻原理圖等效于圖7。

圖9.優(yōu)化 PCB 電源層布線：最佳性能。

圖 10.高頻等效于圖9。

重要的是，在沒(méi)有DUT的情況下測(cè)試評(píng)估板，以確保在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)沒(méi)有任何不必要的諧振。如果有任何共振，則應(yīng)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中加以考慮。對(duì)于每個(gè)頻率，示波器驗(yàn)證電源信號(hào)是否符合預(yù)期 - 不要相信信號(hào)發(fā)生器上的刻度盤(pán)。

測(cè)試設(shè)置

如前所述，被測(cè)信號(hào)鏈μModule解決方案的電源必須能夠提供標(biāo)稱(chēng)直流失調(diào)，以在最大輸入頻率下以足夠的電流為DUT和交流激勵(lì)供電。為了在此處所示的測(cè)試設(shè)置中實(shí)現(xiàn)此目的，ADA4870評(píng)估板與AD3256函數(shù)發(fā)生器結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)2的同相增益。

圖11顯示了定制的ADA4870功率放大器評(píng)估板和ADA4355評(píng)估板。

圖 11.ADA4355評(píng)估板，內(nèi)置ADA4870，用于PSRR測(cè)試。

圖12所示數(shù)據(jù)是通過(guò)捕獲每個(gè)輸入頻率下的數(shù)據(jù)并查看每個(gè)頻率下的FFT（dBFS）功率生成的。從那里，該頻率下的電壓電平通過(guò)使用公式4求解：

使用生成的 VOUT_PSRR要計(jì)算 PSRR，請(qǐng)執(zhí)行以下操作：

圖 12.ADA4355 PSRR結(jié)果。

結(jié)論

ADI公司的信號(hào)鏈μModule解決方案集成了信號(hào)調(diào)理、電源生成和無(wú)源內(nèi)部元件。這些一體化系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)使客戶(hù)能夠以非常小的PCB占位面積快速實(shí)現(xiàn)所需的市場(chǎng)性能。盡管信號(hào)鏈μModule解決方案在易用性方面無(wú)與倫比，但必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試。雖然可以應(yīng)用測(cè)試PSRR的標(biāo)準(zhǔn)做法，但由于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的限制，通常需要額外的電流驅(qū)動(dòng)能力。

審核編輯：郭婷