【導(dǎo)讀】工程師在為時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器等用于測試、測量和無線電應(yīng)用的噪聲敏感型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是如何更大限度地降低噪聲。鑒于不同的人對“噪聲”這個(gè)術(shù)語有不同的理解，我在此聲明，本篇文章講述的噪聲是指電路中電阻器和晶體管所產(chǎn)生的低頻熱噪聲。您通常可將噪聲頻譜密度曲線（以微伏/平方根赫茲為單位）中100Hz至100kHz帶寬內(nèi)的噪聲視為集成輸出噪聲（以均方根毫伏為單位）。電源噪聲會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能并引起時(shí)鐘抖動(dòng)。
以前，對時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器供電時(shí)，會(huì)先后采用直流/直流轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)（例如TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54）及鐵氧體磁珠濾波器的布置，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)方法更大限度減少了電源噪聲和紋波，并在負(fù)載電流低于2A左右時(shí)保持良好的性能。然而，隨著負(fù)載增加，LDO中的功率損耗會(huì)引發(fā)效率和熱管理問題，例如，后置穩(wěn)壓LDO會(huì)在典型的模擬前端應(yīng)用中增加1.5W的功率損耗。低噪聲的高效設(shè)計(jì)是不是無法實(shí)現(xiàn)？倒也未必。
圖1：使用直流/直流轉(zhuǎn)換器、LDO和鐵氧體磁珠濾波器的典型低噪聲架構(gòu)
使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器替換LDO
防止產(chǎn)生功率損耗的一種方法是更大限度減少通過LDO的壓降。然而，這種方法會(huì)對噪聲性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，電流更高的LDO通常也更大，這會(huì)增加設(shè)計(jì)尺寸和成本。既能確保低噪聲又不會(huì)增加功率損耗的一種更為有效的方法是，使用低噪聲直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器代替設(shè)計(jì)中的LDO，如圖2所示。
圖2：使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器（無LDO）
我知道您的疑問：移除降低噪聲的主要器件如何還能提供低噪聲電源？其實(shí)，許多LDO在帶隙基準(zhǔn)處都具有一個(gè)低通濾波器，用于更大限度減少進(jìn)入誤差放大器的噪聲。TPS62912和TPS62913系列的低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器使用降噪/軟啟動(dòng)引腳連接電容器，并與集成的Rf和外部連接的CNR/SS組成一個(gè)低通電阻器/電容器濾波器，如圖3所示。本質(zhì)上，這種結(jié)構(gòu)模擬了LDO中帶隙低通濾波器的性能。
圖3：具有帶隙噪聲過濾功能的低噪聲降壓方框圖
如何降低輸出電壓紋波？
所有直流/直流轉(zhuǎn)換器都會(huì)在其開關(guān)頻率下產(chǎn)生輸出電壓紋波。在精密系統(tǒng)中，噪聲敏感型模擬電源軌需要超低的電源電壓紋波來更大限度地減少頻譜中的頻率雜散，電源電壓紋波通常取決于直流/直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率、電感值、輸出電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。為減少這些元件產(chǎn)生的紋波，工程師通常使用LDO和/或小型鐵氧體磁珠和電容器來組成π型濾波器，從而更大限度減小負(fù)載紋波。TPS62912和TPS62913等低紋波降壓轉(zhuǎn)換器通過集成鐵氧體磁珠補(bǔ)償和遙感反饋功能，充分利用鐵氧體磁珠濾波器。通過利用鐵氧體磁珠的電感和附加的輸出電容器，消除了輸出電壓紋波中的高頻分量，并將紋波降低了約30dB，如圖4所示。
圖4：使用鐵氧體磁珠濾波器之前的輸出電壓紋波(a)；
使用鐵氧體磁珠濾波器之后的輸出電壓紋波(b)
結(jié)論
通過集成可降低系統(tǒng)噪聲和紋波的特性，低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器可幫助工程師實(shí)現(xiàn)不使用LDO的低噪聲電源解決方案。當(dāng)然，不同應(yīng)用所需的噪聲級不同，而且不同的輸出電壓需要的性能也不同。所以，您只能為設(shè)計(jì)選擇合適的低噪聲架構(gòu)。如果您想簡化噪聲敏感型模擬電源設(shè)計(jì)、降低功率損耗并縮小整體設(shè)計(jì)尺寸，請考慮使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器。
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