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追踪电源对信号链性能提高的研究

时间:2015-03-18  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

除上电期间的锁闭问题以外,如果每个电源的最终工作 DC 电压随时间而变化,则电源会对系统性能产生影响。电源输出会因线电压、负载电流变化和温度变化而不同。电源输出会在其精度规范内有所不同,其一般为额定输出电压的 3% 到 5%。

尽管这些电源电压的变化很小,但却会改变运算放大器的输入共模电压点,其通常被建模为运算放大器输入的额外补偿电压。因为运算放大器有高 PSRR,因此建模补偿电压等于输入共模电压变化值除以运算放大器的 PSRR。方程式 2可用于计算电源变化引起的运算放大器输入的补偿电压。

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方程式 2 所示 PSRR 以分贝表示,其可在大多数运算放大器产品说明书中找到。方程式 2 给出了以运算放大器输入为参考的补偿电压。用方程式 2 所得结果乘以运算放大器增益,运算放大器输出可参考补偿电压。

由于运算放塑封电感大器的 PSRR 进一步降低了电源的微小变化,因此您可能会错误地得出如下结论:电源电压的微小变化在系统中影响极小或者没有影响。作为一个定量举例,我们可对一个全差动运算放大器进行分析,其将信号缓冲至一个 24位 ADC。

图 3 显示的是一个使用全差动运算放大器的简化示意图,例如:OPA1632,其配置为一个为 24 位 ADC(例如: ADS1271)提供信号的单位增益缓冲器。该电路是 ADC 评估电路板的简化示意图。运算放大器由 LDO 供电,其线压、负载和温度精度为 3%。LDO 的输模压电感器出电压针对 ±15V 标称值进行配置。

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图 3 计算补偿误差影响的示例电路

如果每个 LDO 的输出电压均恰好各是 +15V 和 –15V,则共模输入电压刚好为 0V。就电感器生产本例而言,如果零伏在其输入上,则我们自 ADC 读取零计数。那么,电源大小相等而在运算放大器输入上没有信号的情况下,您会从 ADC 读取零计数。

然而,假设正电压 LDO 输出增加 3%,仍然没有超出 LDO 规范。使用 15V 输出电感器生产厂家时,这 3% 的变化等同于电源电压从 450mV 上升到 15.45V。根据数据表,运算放大器的典型 PSRR 为 97dB。

方程式 2 现在可用于计算运算放大器输入的失调电压。在运算放大器输入有一个额外的 3.178μV 失调电压。由于运算放大器被配置为一个单位增益缓冲器,因此该 3.178μV 也存在于输出,并施加于ADC。ADC 的满量程输入范围为 ±2.5V,因此每个 ADC 位相当于 298nV。

使用电源产生的补偿电压,ADC 现在读取 11 个计数,而非零计数。电源在读取 ADC 计数中引入了一个 DC 补偿误差。该误差会因 LDO 输出电压而不同,而 LDO 输出电压又随时间、温度、负载电流和输入电压而变化。这便使得这种误差难以通过校准去除掉,也让 ADC 的低四位变得不确定。

提高 LDO 追踪和精度(或者漂移)性能的一种简单方法是将图 2 所示电路修改为图 4 所示电路。附加放大器 U1 和四个电阻需要针对 2 增益进行配置。额定值条件下,R3 和 R4 之间的节点应为零伏。因此,R1 的值必须等于 R2,而 R3 的值必须等于 R4。

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图 4 添加追踪的电路。

图 2 中,每个 LDO 的反馈网络都连接至接地。图 4 中,反馈电阻连接至接地,且由 U1 的输出驱动。现在,如果任何电源改变其输出电压,则差异出现在 U1 的非反相输入上,并被增益至原来的 2 倍。由于 U1 的输出同时驱动两个 LDO 反馈网络,因此同时对两个 LDO 实施校正以强制其输出大小相等。

必须注意图 4 所示电路。U1 的输出可驱动至接近或者等于为 U1 供电电源轨的电压。如果使用输入源的 &plusm节能灯电感器n;18V 为 U1 供电,则输出可驱动至高达 18V 的电压。该 18V 输出应用于 LDO 的反馈引脚,其可能超出其绝对最大电压额定值。我们可以添加钳位二极管,在 LDO 的高动态负载环境下、短路条件下或者上电期间保护 LDO 反馈引脚。

图 5 显示的是加装追踪电路和保护二极管的 LDO 示意图。为了让示意图更易于理解,U3 的每个电源轨的 10 μF 旁路电容器都已脱去不用。

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