使用追蹤電源來提高信號鏈性能

本文闡述了直流偏置電源對敏感模擬應(yīng)用中所使用運算放大器 (op amp) 產(chǎn)生的影響，此外還涉及了電源排序及直流電源對輸入失調(diào)電壓的影響。另外，本文還介紹了一種通過線性穩(wěn)壓器(一般不具有追蹤能力)輕松實施追蹤分離電源的方法，以幫助最小化直流偏置電源帶來的一些不利影響。

在許多運算放大器電路中，直流偏置電源會影響運算放大器的性能，特別是在與高位計數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 一起使用或者用于敏感傳感器電路的信號調(diào)節(jié)時。直流偏置電源電壓決定放大器的輸入共模電壓以及許多其他規(guī)范。

在上電期間，必須協(xié)調(diào)直流偏置電源的順序來防止運算放大器鎖閉。這樣會毀壞、損壞或者阻止運算放大器正常運行。本文解釋了追蹤電源對運算放大器的重要性，并介紹了一種利用通常不具有追蹤能力的線性穩(wěn)壓器輕松實施一個追蹤分離電源的方法。

給一個運算放大器供電有兩種常見方法。第一種也是最簡單的一種方法是使用一個單一正電源，如圖 1 (a) 所示。第二種方法是使用一個分離(雙)電源(如圖1 (b) 所示)，其同時具有一個正電壓和一個負電壓。這種分離電源在許多模擬電路中都非常有用，因為它允許包括零電壓電位的輸入信號或者在正與負之間搖擺的輸入信號。

圖 1 運算放大器供電選項

不管使用哪一種方法，輸入共模電壓都由電源電壓決定。輸入共模電壓只是兩個電壓的算術(shù)平均數(shù)。方程式 1 可用于計算輸入共模電壓，其中 VP 為正電壓軌的值，而 VN 為負電壓軌的值。

就一個單電源系統(tǒng)而言，VN 始終為零，因為運算放大器的負電源軌連接到接地電位。

利用圖 1 所示數(shù)值，單電源運算放大器具有一個 7.5V 的輸入共模電壓，而分離電源運算放大器有一個 0V 的輸入共模電壓。

一些運算放大器可以工作在單電源結(jié)構(gòu)也可以工作在分離電源結(jié)構(gòu)中。一些運算放大器甚至可以同非對稱分離電源(VP 大小與 VN 不等)一起工作。所有情況下，設(shè)計人員都需要驗證運算放大器是否能夠支持期望的電源配置結(jié)構(gòu)。

另外，許多運算放大器都具有使用分離電源的特點。因此，如果一個運算放大器專為單電源結(jié)構(gòu)中分離電源運行而設(shè)計，則可能會存在一些性能差異。

使用對稱分離電源時，正負電壓必須互相追蹤，特別是在電路初次上電時。追蹤電源是一種調(diào)節(jié)其輸出電壓至另一個電壓或信號的電源。對于大多數(shù)運算放大器而言，正電源電壓與負電源電壓始終應(yīng)該大小相等而極性相反。

另外，您也可以對負電源進行調(diào)節(jié)，使其與正電源大小相等而極性相反。兩種方法都會產(chǎn)生相同的上電波形。

如果兩個電源并非大小相等而極性相反，則運算放大器可在上電期間鎖閉。鎖閉可能會毀壞、損壞或者阻止運算放大器正常運行。

圖 2 顯示了一個典型運算放大器電源電路的示意圖。此處，一個開關(guān)電源提供一個正 18V 和一個負 18V。兩低壓降 (LDO) 線性穩(wěn)壓器進一步將 ±18V 調(diào)節(jié)至 ±15V。該 LDO 一般安裝在電源和運算放大器之間，旨在降低開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲。LDO 具有較高的電源抑制(以比率表示，PSRR)，其減弱了寬帶頻率下 LDO 輸入的噪聲。

圖 2 運算放大器的典型電源結(jié)構(gòu)

這樣可幫助向運算放大器提供低噪聲電源。運算放大器還具有自己的 PSRR，其一般在 80dB 以上。然而，運算放大器僅在數(shù)千赫茲帶寬時具有高 PSRR，因此 LDO 用于提供高達數(shù)百千赫茲帶寬的高 PSRR。

圖 2 所示電路本身沒有追蹤能力。在上電期間，無法保證每個 LDO 與另一個 LDO 大小相等而極性相反。上電期間每個 LDO 的輸出電壓都由所有軟啟動電路、限流、負載電容、負載電流以及輸入電壓決定。

因此，在啟動時兩個電壓大小不同而極性也不相反是有可能的。另外，LDO 上電并提供穩(wěn)態(tài)的 DC 輸出以后，它們?nèi)匀挥锌赡艽笮〔坏?，因為每個 LDO 都具有其自己的輸出電壓精度，而且反饋電阻會因其容差而稍微不同。

除上電期間的鎖閉問題以外，如果每個電源的最終工作 DC 電壓隨時間而變化，則電源會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。電源輸出會因線電壓、負載電流變化和溫度變化而不同。電源輸出會在其精度規(guī)范內(nèi)有所不同，其一般為額定輸出電壓的 3% 到 5%。

盡管這些電源電壓的變化很小，但卻會改變運算放大器的輸入共模電壓點，其通常被建模為運算放大器輸入的額外補償電壓。因為運算放大器有高 PSRR，因此建模補償電壓等于輸入共模電壓變化值除以運算放大器的 PSRR。方程式 2可用于計算電源變化引起的運算放大器輸入的補償電壓。

方程式 2 所示 PSRR 以分貝表示，其可在大多數(shù)運算放大器產(chǎn)品說明書中找到。方程式 2 給出了以運算放大器輸入為參考的補償電壓。用方程式 2 所得結(jié)果乘以運算放大器增益，運算放大器輸出可參考補償電壓。