運(yùn)放電路設(shè)計降低電源噪聲的措施-KIA MOS管

噪聲可以是隨機(jī)信號或重復(fù)信號，內(nèi)部或外部產(chǎn)生，電壓或電流形式帶或?qū)拵В哳l或低頻。（在這里，我們將噪聲定義為任何在運(yùn)放輸出端的無用信號）

噪聲通常包括器件的固有噪聲和外部噪聲，固有噪聲包括：熱噪聲、散彈噪聲和低頻噪聲（1/f噪聲）等；外部的噪聲通常指電源噪聲、空間耦合干擾等，通常通過合理的設(shè)計可以避免或減小影響。降低外部噪聲的影響對發(fā)揮低噪聲運(yùn)放的性能至關(guān)重要。

常見外部噪聲源

電源紋波

在全波整流的線性穩(wěn)壓供電的電路中，100Hz紋波是主要的電源噪聲，對于運(yùn)放電路，100Hz噪聲電平通常要求控制在10nV-100nV（RTI）內(nèi)，這取決于三個因素：運(yùn)放在100Hz時的電源抑制比（PSRR），穩(wěn)壓器的紋波抑制比及穩(wěn)壓器的輸入濾波電容的大小。

圖1是ADI高壓放大器OP77的PSRR-頻率曲線，可以看出，OP77在100Hz時PSRR大約是76dB，要獲得不大于100nV（RTI）的性能，供電電源的紋波必須小于0.6mV。常用的三端穩(wěn)壓一般能提供大約60dB的紋波抑制能力，在這種情況下，穩(wěn)壓器的輸入濾波電容必須足夠大，以將輸入端的紋波限制在0.6V以下。

電源去耦

典型的串聯(lián)穩(wěn)壓器供電的電源中包含有幅度為150uV，頻率范圍為100Hz-100KHz的噪聲，開關(guān)型電源更嚴(yán)重，運(yùn)放的PSRR在高頻時以20dB/Decade的速度降低，通過在電源腳加RC或LC去耦網(wǎng)絡(luò)，能濾除大部分噪聲，電路形式如圖3。在使用RC去耦時，應(yīng)該注意負(fù)載電流的變化會導(dǎo)致對電源腳上電壓的調(diào)制。

圖3：運(yùn)放供電的RC去耦

電源調(diào)整率

任何電源電壓的變化都會引起運(yùn)放輸入偏置電流的變化，圖1中OP77的PSRR在DC時是126dB（0.5uV/V），電源電壓的變化是一個潛在的低頻噪聲源。在低噪聲運(yùn)放的應(yīng)用中，降低電源的紋波和提高電源的調(diào)整率都很重要，電源調(diào)整率不足通常會引起討厭的低頻噪聲。

開關(guān)電源

開關(guān)電源是一個很嚴(yán)重的噪聲源，下圖是典型的開關(guān)電源輸出端的電壓波形：

圖4. 開關(guān)電源輸出端電壓波形

可以看出，噪聲頻譜既包含開關(guān)頻率及其諧波成分，還包含開關(guān)回路諧振引起的阻尼振蕩的高頻成分，從幾十KHz一直延續(xù)到幾十MHz，而普通的運(yùn)放在幾百Hz以上時PSRR開始急劇下降，到幾百KHz時幾乎為零，此時，出現(xiàn)在輸出端的電源噪聲將很嚴(yán)重。

影響途徑和對策：

除了注意對運(yùn)放PSRR或CMRR參數(shù)的選擇和加強(qiáng)運(yùn)放供電去耦（如采用RC去耦）外，在開關(guān)電源供電設(shè)計中，還應(yīng)注意如下一些方面：

電源中的噪聲可能通過基準(zhǔn)源或PCB的漏電直接耦合到放大器的輸入端。要注意對電壓基準(zhǔn)源輸出的濾波，對于PCB漏電，可在信號輸入引線與電源走線間加地線防護(hù)；

噪聲可能通過PCB走線之間的分布電容直接耦合到放大器輸入端，造成干擾。在PCB布線時，要注意電源線與弱信號線不要貼近平行走線，線凈距大于線寬的3倍(3W原則)，并在電源線或數(shù)字信號線與模擬小信號線之間加地線隔離；

接地處理不當(dāng)，噪聲通過公共阻抗影響敏感電路部分。為了防止公共阻抗將電源噪聲引入信號回路，要注意如下幾點：

接地上避免帶噪聲的大電流流過前級小信號地;單點接地，電源、模擬、數(shù)字電路分開接地;布板使用地平面層，最小化地線阻抗;開關(guān)電源輸出從最后一個濾波電容的地端引出電源地，避免從濾波電感前的電容的地端引出。

圖5：共模阻抗噪聲耦合示意圖

開關(guān)管漏極開關(guān)電壓驅(qū)動的位移電流，通過初次級分布電容，次級電路，次級對大地與雜散電容，大地與初級地之間的雜散電容形成環(huán)路，次級模擬電路中流過的共模電流流過不平衡的阻抗轉(zhuǎn)換成差模，對放大電路造成干擾（如圖6）。共模方式引入的干擾一般為開關(guān)噪聲中的高頻分量（數(shù)MHz以上）。

措施主要有如下三點：

--提供一條從開關(guān)電源次級地返回初級地的低阻抗噪聲旁路通道，通常使用1000p~2200p的安規(guī)電容；

--使用共模扼流圈加強(qiáng)開關(guān)電源的輸出的共模濾波；

--使用隔離技術(shù)，最小化回路中的共模電流。

圖6. 開關(guān)電源中的共模電流回路

通過空間磁場耦合到具有一定環(huán)路面積的信號回路或地線環(huán)中，造成對信號的影響。另外來自開關(guān)電源或市電網(wǎng)絡(luò)的高頻干擾可能通過空間雜散電容直接耦合到信號回路。

設(shè)計中的考慮包括

--合理的布局、調(diào)整電感線圈或變壓器放置方向、優(yōu)化布線，減小關(guān)鍵信號的回路面積，避免形成地環(huán)路可以減小干擾；

--雙面或單面板布線，注意信號線和地線，電源線與地線一定要貼近平行走線;使用1000p電容射頻多點接地，可以兼顧EMC和低頻信噪比的需求；

--對敏感電路加屏蔽，注意屏蔽層連接到被保護(hù)信號的參考地；

--走線設(shè)計上注意電源線不要和信號線捆扎在一起。

小結(jié)：

在運(yùn)放電路設(shè)計中降低電源噪聲的主要措施包括

--通過去耦、濾波等措施降低電源輸出的紋波和噪聲成分

--改善設(shè)計，提高電源電壓調(diào)整率

--合理電路結(jié)構(gòu)、考究的PCB布線、合理的走線工藝

--選擇在敏感噪聲頻段的PSRR或CMRR較高的器件

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