Comprendere il rapporto di iniezione di alimentazione nell'acquisizione di precisione

Il segnale di uscita di corrente continua (PSRR) è una specifica critica che quantifica come bene un componente rifiuta fluttuazioni sui suoi perni di alimentazione dal raggiungimento dell'uscita.

Nei sistemi con doppio rifornimento (come ±15 V), le guide positive e negative hanno spesso un rifiuto diverso (PSRR+ e PSRR−) a causa di topologie asimmetriche interne del circuito. Per le parti monofornitura, il PSRR specificato di solito si applica alla guida positiva.

Perché PSRR Matters per l'acquisizione dati ad alta risoluzione

I sistemi di precisione che si rivolgono a 16 bit o più, con i piani di rumore inferiori a 1 μVRMS, sono particolarmente vulnerabili al rumore di alimentazione-fornitura.

Nelle applicazioni del mondo reale, l'impatto è tangibile: le scale di pesata industriali soffrono di deriva da 50/60 Hz increspature principali; i sistemi ECG medicali possono avere caratteristiche diagnostiche sottili nascoste tramite il rumore del regolatore di commutazione. Pertanto, il sistema complessivo PSRR –accumulato in ogni dispositivo attivo dal riferimento al driver ADC – deve essere analizzato quantitativamente, non solo come un numero di foglio singolo.

PSRR nella catena di segnale di acquisizione dati

Amplificatori operativi e Amplificatori di strumentazione

Gli op-amp di precisione spesso sostengono PSRR DC sopra i 120 dB, ma a 100 kHz che la figura può cadere sotto i 60 dB. Per un amplificatore impostato a un guadagno di 100, un 10 mVRMS] fornire ripple a 100 kHz potrebbe produrre un errore di uscita di più bassi livelli di PSRR.

Gli amplificatori a base di interruttore automatico e stabilizzato a interruttore automatico raggiungono un eccellente PSRR DC e una deriva a basso offset, ma i progettisti devono verificare che la frequenza di taglio non introduca artefatti a carico dell'uscita. Il rumore di alimentazione ad alta frequenza può essere alias con l'orologio di taglio, producendo spruzzi a banda in.

Convertitori analogici a digitali (ADC)

Gli ADC di precisione, in particolare le architetture delta-sigma, incorporano riferimenti on-chip, generazione dell'orologio e filtrazione digitale. L'alimentazione elettrica si disperde sia nei buffer analogici che nel core digitale. Qualsiasi ripple può iniettare carica nella rete di campionamento a catena commutata, causando variazioni di guadagno e di offset.

Quando l’ADC include un amplificatore di guadagno programmabile (PGA), il PSRR di quella fase diventa dominante. La reiezione si degrada spesso come aumento di guadagno perché il rumore di alimentazione è amplificato anche dal PGA. Nei sistemi multisala, PSRR può variare con impedenza di ingresso, quindi è necessaria la caratterizzazione attraverso l’intero range operativo.

Riferimenti di tensione

Il riferimento di tensione è spesso considerato una fonte tranquilla, ma la sua uscita è modulata dalle variazioni di alimentazione. Il riferimento PSRR determina quanto la ricrescenza si traduce in un errore di guadagno per l'ADC. Nei sistemi di ratiometrica dove lo stesso riferimento spinge sia l'eccitazione dei sensori che l'ADC, il povero PSRR induce un errore sistematico che tiene traccia del rumore.

I progetti pratici spesso posizionano un filtro RC a basso passaggio dopo un riferimento preciso per migliorare la frequenza PSRR. Bisogna prestare attenzione per evitare la caduta della tensione attraverso la resistenza della serie e per garantire che l'impedenza di uscita del filtro non interagisca con la dinamica domanda corrente dell'ADC.

Regolatori lineari e commutatori

L'alimentazione stessa è spesso la fonte di rumore. I regolatori lineari producono la fascia bassa di frequenza alle armoniche principali e il rumore termico a banda larga; il loro PSRR è alto a basse frequenze ma cade fuori sopra un paio di kilohertz. I regolatori di commutazione generano la ricrescenza alla frequenza di commutazione (centri di kHz a MHz) più l'anello ad alta frequenza e EMI.

Fonti di rumore di alimentazione nei sistemi misti-signali

Per progettare un buon PSRR, gli ingegneri devono capire i profili di rumore presenti. I regolatori lineari contribuiscono a una riduzione a bassa frequenza, mentre i regolatori di commutazione producono un'increspatura di isolamento a frequenza di commutazione e rumore a banda larga. I circuiti digitali—FPGA, microcontroller, interfacce ad alta velocità—inistrano le punte di corrente che creano rimbalzo a terra e forniscono transients.

Misurare PSRR in un sistema reale

La funzione PSRR su un PCB reale è più complessa di leggere un numero di scheda. I parassiti della scheda, le reti di decoupling e le impedenze di terra condivise influiscono sul risultato. Una tecnica di laboratorio comune inietta un piccolo segnale AC nella barra di alimentazione utilizzando un iniettore di linea o un trasformatore a banda larga, quindi misura il disturbo di uscita risultante con un analizzatore di spettro o un amplificatore a frequenza di blocco.

Gli ingegneri spesso trovano che il PSRR di livello di bordo efficace è 10-20 dB peggiore delle specifiche dei componenti. Questo degrado deriva dall'induttanza nelle tracce di potenza, piani di terra inadeguati e accoppiamento substrato.

Strategie di progettazione per massimizzare la reiezione di alimentazione

Selezione componenti con PSRR Curves

I moderni op-amps di precisione specificano PSRR a diverse centinaia di kHz; alcuni integrano il filtraggio interno per aumentare il rifiuto ad alta frequenza. Cercare componenti con curve PSRR piatte piuttosto che le notches profonde che potrebbero allineare con il rumore di commutazione. Quando si esaminano i fogli di dati, notano le condizioni di prova: PSRR è spesso specificato in particolare tensione di alimentazione e tensione di ingresso comune-modo; applicare le condizioni di resa in base in base.

Filtro di alimentazione multistadio

Una robusta strategia di decoupling utilizza più fasi. Una catena tipica: regolatore di commutazione → LC filtro → LDO con alta PSRR → filtraggio a punta di carico con perle e condensatori ferrite. Ad ogni analogico IC, combinare la massa (10 μF a 47 μF) e i limiti di ceramica ad alta frequenza (0.1 μF a 1 μF) posti il più vicino possibile per fornire i perni.

Per nodi estremamente sensibili come riferimenti alla tensione e perni di potenza ADC, un LDO dedicato con un perno di riduzione del rumore può fornire un ulteriore 20-40 dB di rifiuto quando viene aggiunto un condensatore esterno. Questa tecnica è comune in sistemi di pesatura a 24 bit. Verificare il PSRR di LDO alle frequenze in cui il regolatore a monte opera – molti LDO perdono il rifiuto sopra 100 kHz.

PCB Layout e messa a terra

Non è possibile compensare la presenza di un pannello di scarsa deposizione. Utilizzare un piano di terra solido senza interruzioni sotto tracce analogiche sensibili. Considerare un terreno stellare o un punto di connessione tra domini di terra analogici e digitali sotto l'ADC. L'alimentazione di percorso come poligoni di bassa induzione. Tenere le aree di circuito analogico e digitale fisicamente separate; posizionare regolatori di tensione vicino ai loro carichi.

Segnale differenziale e isolamento

L'isolamento galvanico del front-end analogico da un'elaborazione digitale rumorosa può rompere i percorsi di rumore condotti. I convertitori DC-DC isolati combinati con gli isolatori digitali per SPI o I2C consentono circuiti di precisione per operare da una fornitura isolata pulita.

Case study: Migliorare PSRR in un'interfaccia del sensore 24Bit

Considerate le uscite di un ponte di misura del sistema con risoluzione di 0,1 μV. La catena del segnale: amplificatore di strumentazione (G=128), 24 bit delta-sigma ADC, 2.5 V di riferimento. Il sistema è alimentato da un singolo binario 5 V che fornisce anche un microcontrollore e un modulo Bluetooth. I prototipi iniziali hanno mostrato punte di rumore casuali e deriva offset DC di diversi microvolti durante le trasmissioni Bluetooth, anche se l'amplificatore PS 100 e ha sostenuto.

L'indagine ha rivelato che l'alimentazione analogica, da un semplice LDO da 3,3 V, aveva solo 40 dB PSRR a 2,4 GHz a causa dell'accoppiamento energetico RF attraverso l'elemento passante di LDO e tracce di PCB. La correzione ha coinvolto tre passaggi: prima, sostituire l'LDO con un ultra-basso rumore LDO (TPS7A49) utilizzando un condensatore di riduzione del rumore esterno per alto PSRR fino a 10 MHz.

Test PSRR in produzione

Il test completo di PSRR su ogni unità è impraticabile per la produzione ad alto volume. Invece, progettare un test di caduta iniettando una frequenza di rumore conosciuta (spesso dal proprio regolatore del sistema o un generatore esterno) e confrontare il pavimento di rumore di ADC o una specifica ampiezza di spur rispetto ad un limite.

Mantenere PSRR oltre temperatura e durata di vita

Come i semiconduttori di età e temperatura varia, transistor transconduttanza e componenti passivi di impedenza cambiamento. I condensatori di ceramica perdono la capacità sotto i polarizzazioni DC e a temperature estreme, spostando la frequenza di angolo delle reti di decoupling e riducendo i sistemi PSRR ad alta frequenza.

Sintesi delle migliori pratiche

  • Analizzare le curve PSRR sulla frequenza[] piuttosto che un singolo valore dB; account per il punto di funzionamento peggiore.
  • Seleziona componenti con risposte PSRR piatte[; verifica che siano adeguati alle frequenze di commutazione presenti.
  • Implementare il filtraggio multi-stadio di alimentazione-fornitura[ con LDO, perle ferrite, e condensatori accuratamente scelti.
  • Progettare un basso impatto, diviso PCB[] con piani di terra solidi e domini di potenza analogico/digitale separati.
  • Sistema di Validate PSRR misurando[[] in condizioni di carico e di layout reali; test di laboratorio impediscono guasti di campo.
  • Consider isolamento galvanico[] quando il filtraggio conduttivo è insufficiente.
  • Derate condensatori e provate su temperatura e vita[[]] per garantire PSRR coerente durante la vita del prodotto.

Conclusioni

Power Supply Rejection Ratio è molto più di una singola linea di dati; è un parametro dinamico e di livello di sistema che influisce fondamentalmente sulla precisione dei sistemi di acquisizione dati. Attraverso un'analisi accurata dell'intera catena di segnale, da riferimento all'amplificatore ad ADC, e trattando l'alimentazione come parte integrante del design analogico, gli ingegneri possono raggiungere i piani di rumore submicrovolti più richiesti dalle applicazioni moderne.