為精密模擬電路設(shè)計超低噪聲正負電源

當今的一些高精密模擬系統(tǒng)需要低噪聲正負電壓軌來為精密模擬電路供電，這些電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、雙極放大器等等。如何產(chǎn)生清潔、穩(wěn)定的正負電壓軌為噪聲敏感型模擬組件供電是擺在我們面前的一個設(shè)計挑戰(zhàn)。

通常的解決方案是使用一個產(chǎn)生正軌的正降壓或者升壓開關(guān)電源，然后使用線性穩(wěn)壓器進行后期穩(wěn)壓，以減少開關(guān)電源形成的電壓紋波。使用一個反向開關(guān)電源產(chǎn)生負軌。由于高壓負低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 的產(chǎn)品系列較少，因此我們一般使用一個離散式 LC 濾波器來減弱開關(guān)噪聲。盡管這種方法有效，但它要求設(shè)計人員花費時間來計算 LC 濾波器的精度和長期穩(wěn)定性。

例如，圖 1 所示參考設(shè)計便使用了 TPS54x60，其顯示了一種更為簡單的清潔電壓軌生成方法。利用這種電路，通過一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建正負電壓軌。使用兩個高電源抑制比 (PSRR)/低噪聲 LDO 進行后期穩(wěn)壓，以消除開關(guān)噪聲。LDO 的噪聲性能去除了對于 LC 輸出濾波器的需求。

要創(chuàng)建這種參考設(shè)計，需使用一個降-升壓結(jié)構(gòu)的 +60V 開關(guān)轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個平衡的+/-輸出電壓。利用低噪聲、高 PSRR LDO（例如：TPS7A30 和 TPS7A49 等），對開關(guān)的正負電壓輸出進行后期穩(wěn)壓。圖 2 中，–18V 軌的開關(guān)穩(wěn)壓器電壓紋波為約 40mV，而 +18V 軌則為 20mV。通過使用 LDO 對 300 kHz 開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出進行后期穩(wěn)壓，電壓紋波得到極大減弱。這里，我們使用 60V 開關(guān)轉(zhuǎn)換器，因為接地引腳參考至 –18V 軌，并且最大 VIN為 30V。在這種配置中，開關(guān)轉(zhuǎn)換器必須承受的最大電壓為 48V。請為其寬輸入電壓、低輸出噪聲和高 PSRR 選擇 LDO。

圖 1 參考示意圖

圖 2 表明 LDO PSRR 性能的示波器屏幕截圖。

在今天的醫(yī)療、測試測量以及工業(yè)控制市場上，隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器分辨率的提高，或者說隨著信號滿量程范圍的減小，對于更高噪聲性能的需求變得越來越重要。表 1 顯示了隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器分辨率的提高，1LSB 電壓階躍減小。或者，隨著滿量程電壓擺動量級的減小，1 LSB 電壓階躍減小。隨著 1 LSB 電壓值減小，電源產(chǎn)生的噪聲影響增加。電源產(chǎn)生的噪聲增加了信噪比 (SNR)，從而降低了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的有效分辨率。例如，由于電源產(chǎn)生的過度噪聲，一個 16 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會表現(xiàn)得像一個 14 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。具體應(yīng)由設(shè)計工程師來決定如何進行噪聲和精確度之間的折中。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器精確度
表 1、LSB 折中考慮

重新創(chuàng)建該設(shè)計的一種簡單方法是使用我們用過的相同評估板：TPS54060EVM-590用于開關(guān)電路；TPS7A30-49REVM-567 用于 LDO。

只需將開關(guān)穩(wěn)壓器評估板 (EVM) 連接至 LDO EVM 的輸入便可開始評估。如果這款解決方案不符合系統(tǒng)電壓要求，請下載該負載點 (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器工具，對開關(guān)電路進行修改，以符合您的規(guī)范。如果 LDO 板要求不同的輸出電壓，請利用 LDO 產(chǎn)品說明書修改反饋電阻器，以計算理想輸出電壓要求的值。使用這種方法，可通過 12V 到 30V 的輸入電壓以及 +/−2.5V 到 +/−15V 范圍的輸出電壓，產(chǎn)生正負電壓軌。

結(jié)論

如果需要一款更簡單的解決方案，產(chǎn)生極低噪聲的穩(wěn)定正負電壓軌，為ADC、DAC、雙極放大器等供電，則請考慮使用圖 1 所示參考設(shè)計。請對可用的工具及應(yīng)用支持進行評估，它們可以讓正負電壓電源的創(chuàng)建、評估和修改變得更加輕松?，F(xiàn)在，你可以快速地創(chuàng)建電源部分，將更寶貴的設(shè)計時間花在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路上面，它對于在競爭中差異化您的應(yīng)用至關(guān)重要。

參考文獻
TPS7A3001 和 TPS7A4901 低壓降線性穩(wěn)壓器評估模塊。
TPS54060 分離軌電源評估模塊。

作者簡介

Pat Hunter 現(xiàn)任 TI 產(chǎn)品市場營銷工程師，主要負責負載點電源解決方案的市場營銷戰(zhàn)略開發(fā)工作。Pat 畢業(yè)于北卡羅來納大學 (University of North Carolina, Charlotte, North Carolina)，獲電子工程理學學士學位，他擁有一項專利。