Comparación de la reducción de la oferta de energía en la adquisición de precisión

El interruptor de alta frecuencia de la unidad de transmisión de energía (PSRR) es una especificación crítica que cuantifica la eficacia de un componente que rechaza las fluctuaciones de sus pines de suministro de alcanzar la salida. Se define como la relación de cambio de tensión de suministro a cambios de salida resultantes, expresado en decibeles: PSRR (dB) = 20 log10 (ΔV

En sistemas con dobles suministros (como ±15 V), los carriles positivos y negativos suelen tener diferentes rechazos (PSRR+ y PSRR) debido a topologías de circuito interno asimétricas. Para piezas de sola suplementación, el PSRR especificado generalmente se aplica al carril positivo. Los gráficos de la hoja de datos también condicionan las mediciones de la corriente de carga, el voltaje de movimiento común y la temperatura: ignorar estas condiciones puede conducir a una adquisición de alta precisión.

Por qué PSRR importa para la adquisición de datos de alta resolución

Sistemas de precisión que se orientan a 16 bits o más, con niveles de ruido inferiores a 1 μVRMS, son especialmente vulnerables al ruido de la fuente. Los trastornos de la fuente se unen a la vía de señal analógica, creando la deriva offset, ganando errores y ruido aleatorio que degradan el número efectivo de bits (ENOB) del ADC.

En aplicaciones reales, el impacto es tangible: las escalas de pesas industriales sufren deriva de 50/60 Hz de la onda; los sistemas médicos ECG pueden tener características de diagnóstico sutiles ocultas por el ruido del regulador de conmutación. Por lo tanto, el sistema general PSRR - acumulado en cada dispositivo activo de referencia al controlador ADC- debe ser analizado cuantitativamente, no sólo como un número de hoja de datos.

PSRR en la cadena de identificación de adquisición de datos

Amplificadores operativos y amplificadores de Instrumentación

El sistema de control de la presión de los dispositivos de control de la presión es el más vulnerable al ruido de la energía. Los oplatos de precisión suelen reclamar el DC PSRR por encima de 120 dB, pero a 100 kHz esa cifra puede caer por debajo de 60 dB. Para un amplificador ajustado a una ganancia de 100, un 10 mV]

Los amplificadores auto-econstruidos y estabilizados de cobre logran un excelente PSRR y una baja deriva offset, pero los diseñadores deben verificar que la frecuencia de cortar no introduce artefactos dependientes de la oferta en la salida. El ruido de suministro de alta frecuencia puede aliarse con el reloj de corte, produciendo púas en banda.

Convertidores analógicos a digitales (ADCs)

ADCs de precisión, especialmente arquitecturas delta-sigma, incorporan referencias en chip, generación de relojes y filtrado digital. La fuente de alimentación sesgos tanto los buffers analógicos como el núcleo digital. Cualquier ondulador puede inyectarse en la red de muestreo de capacidad conmutada, causando ganancias y variaciones offset.

Cuando la ADC incluye un amplificador de ganancia programable (PGA), el PSRR de esta etapa se vuelve dominante. La rechacción a menudo se degrada como aumento de ganancia porque el ruido de suministro también es amplificado por el PGA. En sistemas multiplexados, PSRR puede variar con impedancia de entrada, por lo que la caracterización en todo el rango operativo es necesario.

Referencias de tensión

Una referencia de tensión se supone a menudo como una fuente tranquila, pero su salida se modula por variaciones de suministro. PSRR de referencia determina cuánto se traduce en un error de ganancia para el ADC. En sistemas ratiométricos donde la misma referencia impulsa tanto la excitación de sensores como ADC, el pobre PSRR induce un error sistemático que rastrea el ruido. Para mediciones absolutas, una referencia con alta PSRR referencia en el ancho de banda excelente

Los diseños prácticos suelen colocar un filtro de baja velocidad RC después de una referencia de precisión para mejorar la frecuencia PSRR. Debe tomarse cuidado para evitar la caída de tensión en el resistor de la serie y para asegurar que la impedancia de salida del filtro no interactúa con la demanda dinámica de la ADC. Los condensadores de cerámica de baja resistencia directamente en la salida de referencia ayudan a mantener baja impedancia sobre un amplio rango de frecuencia.

Reguladores lineales y de conmutación

El sistema de regulación de potencia es a menudo la fuente de ruido. Los reguladores lineales producen ondas de baja frecuencia en las armónicas de las barras y el ruido térmico de banda ancha; su PSRR es alta en frecuencias bajas pero se cae por encima de unos pocos kilohercios. Los reguladores de conmutación generan ondas de la frecuencia de conmutación (incluidos kHz a MHz) más anillo de alta frecuencia y EMILT.

Fuentes de Potencia-Supply Noise en Sistemas de Señales Mixtos

Para diseñar para un buen PSRR, los ingenieros deben entender los perfiles de ruido de sus suministros presentes. Los reguladores lineales contribuyen a una onda de baja frecuencia, mientras que los reguladores de conmutación producen ruido de onda y banda ancha. Circuitos digitales: PGA, microcontroladores, interfaces de alta velocidad, se inyectan los picos de corriente que crean fuentes de rebote y proporcionan transientes.

Medición de PSRR en un sistema real

La caracterización de PSRR en un PCB real es más compleja que la lectura de un número de hoja de datos. Parasitarios de la Junta, redes de desacoplamiento y impedancias de tierra compartidas afectan el resultado. Una técnica de laboratorio común inyecta una pequeña señal de AC en el carril de suministro utilizando un inyector de línea o transformador de banda ancha, luego mide la perturbación de salida resultante con un amplificador de salida de espectro o de salida.

Los ingenieros suelen encontrar que el PSRR de nivel de tablero eficaz es 10–20 dB peor que la especificación de componentes. Esta degradación surge de la inductancia en los trazos de energía, planos de tierra inadecuadas y acoplamiento de sustratos. Por lo tanto, el diseño y el desacoplamiento son tan importantes como la selección de componentes.

Estrategias de diseño para maximizar la reacción de energía

Selección de componentes con curvas PSRR

Elija dispositivos activos con PSRR inherentemente alto en el rango de frecuencias requerido. Los op-amps de precisión modernos especifican PSRR a varios cientos kHz; algunos integran el filtrado interno para impulsar el rechazo de alta frecuencia. Busque componentes con curvas PSRR planas en lugar de los puntos profundos que podrían alinearse con el ruido de conmutación. Al examinar las hojas de datos, note las condiciones de prueba: PSRR se especifica a menudo en tensión de suministro particular y condiciones de entrada de movimiento común diferentes;

Filtro de fuente de alimentación multietapa

Una estrategia de desacoplamiento robusta utiliza múltiples etapas. Una cadena típica: regulador de conmutación → Filtro LC → LDO con alto PSRR → filtrado de punto de carga con cuentas de ferrite y condensadores. En cada IC analógico, combinar voluminosos (10 μF a 47 μF) y cerámica de alta frecuencia (0.1 μF a 1 μF) condensadores de alto rendimiento de autocuidad.

Para nodos extremadamente sensibles como referencias de tensión y pins de potencia ADC, un LDO dedicado con un pin de reducción de ruido puede proporcionar un extra de rechazo de 20–40 dB cuando se añade un condensador externo. Esta técnica es común en sistemas de pesas de 24 bits. Verifica el PSRR de LDO en las frecuencias donde opera el regulador de corriente superior – muchos LDO pierden rechazo por encima de 100 kHz.

PCB Diseño y puesta en tierra

No hay cantidad de componente PSRR puede compensar una tabla desplegada. Use un plano sólido con no recortes bajo rastros análogos sensibles. Considere un terreno estrella o un único punto de conexión entre los dominios analógicos y digitales bajo el ADC. Potencia de ruta como amplios poligones de baja densidad. Mantenga áreas de circuito analógico y digital separadas físicamente; coloque los reguladores de tensión cerca de sus cargas.

Signalización e Isolación diferencial

El aislamiento galvánico del frontal analógico del procesamiento digital ruidoso puede romper las rutas de ruido. Los convertidores de DC-DC aislados combinados con aisladores digitales para SPI o I2C permiten que los circuitos de precisión funcionen desde un suministro aislado limpio. La señalización diferencial en la entrada, utilizando amplificadores totalmente diferenciales que conducen entradas diferenciales de ADC, mejora el rechazo del ruido de suministro de modo común que las parejas en los insumos.

Estudio de caso: Mejorar el PSRR en una interfaz de sensor de 24 puntos

Considere un sistema de medición de salidas de puente de presión con resolución 0.1 μV. La cadena de señalización: amplificador de instrumentación (G=128), 24-bit delta-sigma ADC, referencia de 2,5 V. El sistema se alimenta de un solo 5 V raíl que también suministra un microcontrolador y un módulo Bluetooth. Los prototipos iniciales mostraron puntos de ruido aleatorios y la deriva de DC offset de varios microvoltios durante las transmisiones de Bluetooth.

La investigación reveló que el suministro analógico, desde un simple 3.3 V LDO, tenía sólo 40 dB PSRR a 2.4 GHz debido al acoplamiento de energía RF a través del elemento paso de LDO y los rastros PCB. La solución incluyó tres pasos: primero, reemplazar el LDO con un LDO ultra-bajo-noise LDO (TPS7A49) utilizando un condensador de reducción de ruido externo para el alto capacitar hasta 10 MHz.

Pruebas PSRR en producción

Esta prueba PSRR de frecuencia completa en cada unidad es poco práctica para la fabricación de alto volumen. En lugar de ello, diseñar una prueba de transpiración inyectando una frecuencia de ruido conocida (a menudo desde el propio regulador del sistema o un generador externo) y comparar el suelo de ruido de ADC o una amplitud de estimulación específica contra un límite. Algunas ADC de precisión incluyen características de prueba automática incorporadas que permiten aplicar una señal de prueba de degradación de un componente

Mantener PSRR sobre la temperatura y la vida

PSRR no es estático. Como los semiconductores de edad y temperatura varían, transconductancia transistor y impedancias de componentes pasivos cambian. Los condensadores de cerámica pierden la capacitancia bajo sesgo DC y a temperatura extrema, cambiando la frecuencia de esquina de redes de desacoplamiento y reduciendo la alta frecuencia PSRR.

Resumen de las mejores prácticas

  • Análisis de curvas PSRR sobre frecuencia en lugar de un único valor dB; cuenta para el peor punto de funcionamiento.
  • Seleccione componentes con respuestas planas de PSRR; verifique que son adecuados en las frecuencias de conmutación presentes.
  • Implement multi-etapa de filtración de potencia de la planta con LDOs, cuentas de ferrite, y condensadores cuidadosamente elegidos.
  • Design a low-impedance, particiones PCB con planos sólidos y dominios de potencia analógico/digital separados.
  • Sistema de validación PSRR por medición bajo condiciones reales de carga y distribución; pruebas de laboratorio evitan fallos de campo.
  • Consider galvanic isolation cuando el filtrado conductivo es insuficiente.
  • Decora condensadores y prueba sobre la temperatura y la vida para asegurar un PSRR consistente durante toda la vida del producto.

Conclusión

Power Supply Rejection Ratio es mucho más que una sola línea de datos; es un parámetro dinámico y a nivel de sistema que afecta fundamentalmente la precisión de los sistemas de adquisición de datos. Al analizar cuidadosamente toda la cadena de señal —desde referencia al amplificador a ADC— y tratar la fuente de energía como parte integral del diseño analógico, los ingenieros pueden alcanzar los niveles de ruido submicrovolta que demandan las aplicaciones modernas.