Table of Contents

Соотношение отказов от энергоснабжения при точном приобретении

Отношение отклонения подачи мощности (PSRR) является критической спецификацией, которая количественно определяет, насколько хорошо компонент отклоняет колебания на своих штифтах питания от достижения выхода. Оно определяется как отношение изменения напряжения питания к полученному изменению выхода, выраженное в децибелах: PSRR (dB) = 20 log10 (ΔV ], / ΔV ], выше цифры указывают на более сильное затухание. Например, операционный усилитель со 100 дБ PSRR при DC будет превращать 1 В рябь на подаче в 10 мкВ при выходе в идеальных условиях. Однако PSRR не является постоянным на выходе на частоте; он обычно начинает откатываться после нескольких сотен герц, снижаясь при 20 дБ за десятилетие или быстрее. Это означает, что высокочастотный шум от регуляторов переключения, цифровых часов или радиочастотных передатчиков может соединяться в сигнальном пути даже тогда, когда спецификация DC выглядит звездной.

В системах с двойным снабжением (например, ±15 В) положительные и отрицательные рельсы часто имеют различный отказ (PSRR+ и PSRR-) из-за асимметричных топологий внутренних цепей. Для деталей с одним источником питания указанная PSRR обычно применяется к положительным рельсам. Графики данных также определяют условия измерения тока нагрузки, напряжения общего режима и температуры - игнорирование этих условий может привести к чрезмерно оптимистичным оценкам производительности. Понимание частотно-зависимой природы PSRR имеет важное значение для проектирования надежных систем сбора данных с точностью.

Почему PSRR имеет значение для получения данных с высоким разрешением

Точные системы, нацеленные на 16 бит или более, с шумовыми полами ниже 1 мкВRMS, особенно уязвимы для шума подачи энергии. Помехи подачи соединяются с аналоговым сигнальным трактом, создавая смещенный дрейф, ошибки усиления и случайный шум, которые ухудшают эффективное количество битов (ENOB) ADC. Даже когда сам ADC имеет хорошую PSRR, окружающие схемы — усилители, ссылки, фильтры — могут этого не делать. Например, шум подачи, вводимый в прецизионный усилитель, модулирует его входное напряжение смещения, производя ошибку, которая неотличима от фактического сигнала датчика. Это непосредственно увеличивает неопределенность измерения и уменьшает динамический диапазон.

В реальных приложениях воздействие ощутимо: промышленные весы страдают от дрейфа от 50/60 Гц пульсации; медицинские системы ЭКГ могут иметь тонкие диагностические функции, скрытые переключением шума регулятора. Поэтому общая система PSRR, накопленная на каждом активном устройстве от ссылки на драйвер ADC, должна анализироваться количественно, а не просто как одно число в таблице данных. Система может иметь компоненты с отдельным PSRR более 100 дБ, но комбинированный эффект может быть намного хуже из-за компоновки и взаимодействия.

PSRR в цепочке сигналов для сбора данных

Операционные усилители и приборные усилители

Аналоговый фронтенд обрабатывает наименьшие сигналы и наиболее уязвим к шуму питания. Прецизионные операционные усилители часто утверждают, что DC PSRR выше 120 дБ, но при 100 кГц эта цифра может опускаться ниже 60 дБ. Для усилителя, установленного на коэффициент усиления 100, рябь питания 10 мВRMS, рябь питания на 100 кГц может привести к выходной ошибке в несколько милливольт, если PSRR плох. Усилители приборов (в усилителях) полагаются на плотно подобранные внутренние резисторы, что делает их особенно чувствительными к шуму питания в обычном режиме: любой дисбаланс между PSRR на положительных и отрицательных рельсах преобразует шум в обычном режиме в дифференциальную ошибку, которая усиливается непосредственно.

Стабилизированные и автоматически нулевые усилители достигают отличного постоянного тока PSRR и низкого смещения дрейфа, но дизайнеры должны убедиться, что частота резки не вводит зависящие от источника артефакты на выходе. Высокочастотный шум подачи может быть связан с часами резки, производя шпоры в полосе. Листы данных из Texas Instruments и Аналоговые устройства включают подробные кривые PSRR-против-частот, которые должны быть проверены для каждого усилителя на пути сигнала.

Аналоговые к цифровым преобразователям (ADC)

Прецизионные АЦП, особенно дельта-сигма-архитектуры, включают в себя ссылки на чипы, генерацию часов и цифровую фильтрацию. Смещение источника питания как аналоговых буферов, так и цифрового ядра. Любая рябь может вводить заряд в сеть выборки коммутируемого конденсатора, вызывая изменения коэффициента усиления и смещения. Многие прецизионные АЦП указывают DC PSRR выше 90 дБ, но шум, связанный с источником, также может производить продукты интермодуляции, которые складываются в полосу пропускания через стоп-диапазон цифрового фильтра. В руководстве по аналоговым устройствам для измерения PSRR подробно рассматриваются эти эффекты.

Когда ADC включает программируемый усилитель усиления (PGA), PSRR на этой стадии становится доминирующим. Отказ часто ухудшается по мере увеличения усиления, поскольку шум подачи также усиливается PGA. В мультиплексированных системах PSRR может варьироваться с входным импедансом, поэтому необходима характеристика по всему рабочему диапазону. Современные ADC иногда предлагают внутренние режимы мониторинга или тестирования поставок, чтобы помочь оценить PSRR in situ.

Ссылки на напряжение

Часто считается, что эталон напряжения является тихим источником, но его выход модулируется вариациями питания. Ссылочная PSRR определяет, сколько пульсации приводит к ошибке усиления для ADC. В пропорционально-метрических системах, где одна и та же ссылка приводит в действие как возбуждение датчика, так и ADC, плохая PSRR вызывает систематическую ошибку, которая отслеживает шум питания. Для абсолютных измерений важна ссылка с высокой PSRR по всей интересующей полосе пропускания. Ссылки с закопанным золоченым линкором предлагают отличную низкочастотную PSRR, в то время как ссылки с полосовым разрывом могут иметь ограниченный высокочастотный отказ без внешней фильтрации.

Практические конструкции часто размещают RC фильтр нижних частот после точной ссылки для улучшения высокочастотного PSRR. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать падения напряжения на резисторе серии и обеспечить, чтобы выходное сопротивление фильтра не взаимодействовало с динамическим током ADC. Низкое ESR керамические конденсаторы непосредственно на эталонном выходе помогают поддерживать низкое сопротивление в широком диапазоне частот.

Линейные и коммутационные регуляторы

Сам источник питания часто является источником шума. Линейные регуляторы производят низкочастотную рябь на гармониках сети и широкополосный тепловой шум; их PSRR высок на низких частотах, но падает выше нескольких килогерц. Переключающие регуляторы генерируют рябь на частоте переключения (сотни кГц до МГц) плюс высокочастотное звон и EMI. Собственный регулятор PSRR определяет, сколько ряби проходит к нагрузке. Ультранизкошумные LDO, такие как TPS7A49, достигают PSRR выше 60 дБ до 10 МГц, что делает их пригодными для чувствительных аналоговых схем. Однако даже лучший регулятор не может компенсировать плохую компоновку или неадекватное разъединение.

Источники шума в системах смешанного сигнала

Для разработки хорошей ПСРР инженеры должны понимать существующие в них шумовые профили. Линейные регуляторы способствуют низкочастотной ряби, в то время как коммутационные регуляторы производят рябь с переключающейся частотой и широкополосный шум. Цифровые схемы — FPGA, микроконтроллеры, высокоскоростные интерфейсы — вводят ток-спики, которые создают отскок земли и переходные сигналы. Эти возмущения могут распространяться через распределительные сети, емкостную связь или излучаемый ЭМИ. В ПХД со смешанным сигналом изолирование этих источников шума от прецизионной аналоговой цепи является центральной задачей. Аналоговое поступление должно быть получено из чистого источника, часто выделенного LDO, питаемого от фильтрованной рельсы, с тщательным физическим разделением.

Измерение PSRR в реальной системе

Характеристика PSRR на фактической ПХД более сложна, чем считывание номера листа данных. На результат влияют бортовые паразиты, разъединяющие сети и общие наземные импедансы. Обычная лабораторная методика впрыскивает в рельс питания небольшой сигнал переменного тока с помощью линейного инжектора или широкополосного трансформатора, затем измеряет полученное возмущение выхода с помощью анализатора спектра или усилителя блокировки. Точка впрыска не должна изменять импеданс подачи или впрыскивать токи общего режима. Для АЦП захватывают цифровые выходы и выполняют FFT для идентификации шпор на впрыскиваемой частоте, что дает точный отказ в дБ.

Инженеры часто обнаруживают, что эффективный ПСРР на уровне платы на 10-20 дБ хуже спецификации компонента. Это ухудшение возникает из-за индуктивности в силовых трассах, неадекватных наземных плоскостей и подложки. Таким образом, компоновка и отсоединение так же важны, как и выбор компонентов.

Стратегии проектирования для максимизации отказа от подачи электроэнергии

Выбор компонентов с кривыми PSRR

Выберите активные устройства с по своей сути высоким PSRR по требуемому частотному диапазону. Современные прецизионные операционные усилители определяют PSRR до нескольких сотен кГц; некоторые интегрируют внутреннюю фильтрацию для повышения высокочастотного отторжения. Ищите компоненты с плоскими кривыми PSRR, а не глубокими выемками, которые могут выровняться с переключающим шумом. При рассмотрении листов данных обратите внимание на условия испытаний: PSRR часто указывается при определенном напряжении питания и входном напряжении общего режима; применение детали в разных условиях может дать разные результаты.

Многоступенчатая фильтрация электроснабжения

Прочная стратегия разъединения использует несколько этапов. Типичная цепь: регулятор переключения → LC фильтр → LDO с высокой PSRR → фильтрация точки нагрузки с помощью ферритовых бусин и конденсаторов. При каждой аналоговой ИС комбинируйте объемные (10 мкФ до 47 мкФ) и высокочастотные керамические (0,1 мкФ до 1 мкФ) конденсаторы, расположенные как можно ближе к подводу штифтов. Минимизируйте индуктивность серии от монтажа конденсатора и следов; в противном случае саморезонансная частота ограничивает высокочастотную производительность.

Для чрезвычайно чувствительных узлов, таких как ссылки на напряжение и усилители ADC, выделенный LDO с шумоподавляющим штифтом может обеспечить дополнительный 20-40 дБ отторжения при добавлении внешнего конденсатора. Этот метод распространен в 24-битных системах весовой шкалы. Проверяйте PSRR LDO на частотах, где работает регулятор верхнего потока - многие LDO теряют отторжение выше 100 кГц.

PCB Планировка и заземление

Никакое количество компонента PSRR не может компенсировать плохо проложенную плату. Используйте твердую наземную плоскость без вырезов под чувствительными аналоговыми следами. Рассмотрим звездную землю или единую точку соединения между аналоговыми и цифровыми наземными доменами под ADC. Мощность маршрута как широкие, низкоиндуктивные полигоны. Держите аналоговые и цифровые области цепи физически разделенными; размещайте регуляторы напряжения близко к их нагрузкам. Никогда не запускайте аналоговые сигнальные следы высокого давления параллельно шумной мощности или тактовым следам. След охранника, подключенный к земле, может помочь изолировать чувствительные узлы. Руководство по заземлению Analog Devices предоставляет практические примеры, которые непосредственно влияют на PSRR.

Дифференциальные сигналы и изоляция

Гальваническая изоляция аналогового фронтенда от шумной цифровой обработки может нарушать проводящие шумовые пути. Изолированные преобразователи постоянного тока в сочетании с цифровыми изоляторами для SPI или I2C позволяют точной схеме работать от чистого изолированного источника. Дифференциальная сигнализация на входе - с использованием полностью дифференциальных усилителей, приводящих в движение дифференциальные входы ADC - улучшает отказ от шума питания в обычном режиме, который соединяется с входами.

Тематическое исследование: улучшение PSRR в 24-битном сенсорном интерфейсе

Рассмотрим систему измерения выходов тензометрического моста с разрешением 0,1 мкВ. Сигнальная цепь: усилитель приборов (G=128), 24-битный дельта-сигма ADC, отсылка 2.5 В. Система питается от одного 5-вольтового рельса, который также поставляет микроконтроллер и модуль Bluetooth. Первоначальные прототипы показали случайные всплески шума и дрейф DC-смещение нескольких микровольт во время передачи Bluetooth, хотя ADC и усилитель претендовали на PSRR выше 100 дБ.

Расследование показало, что аналоговый источник питания, от простого 3.3 V LDO, имел только 40 дБ PSRR на 2,4 ГГц из-за радиочастотной связи через проходной элемент LDO и следы ПХБ. Фиксация включала три шага: во-первых, заменить LDO на ультранизкошумный LDO (TPS7A49) с использованием внешнего шумоподавления конденсатора для высокой ПСРР до 10 МГц. Во-вторых, вставить пи-фильтр (ферритовый шар плюс два конденсатора) перед LDO, чтобы предварительно ослабить высокочастотный шум. В-третьих, пересмотреть компоновку: переместить аналоговую секцию в тихий угол, использовать непрерывную наземную плоскость и добавить защитное кольцо вокруг входной стадии. После этих изменений шумовые шипы исчезли и смещение DC дрейф упал ниже 0,05 мкВ. Эффективная система PSRR от 5 V рельса на 2,4 ГГц улучшилась более чем на 30 дБ — несмотря на отсутствие компонента, перечисляющего эту частоту.

PSRR испытания в производстве

Полное тестирование PSRR с частотным сканированием на каждом блоке нецелесообразно для производства большого объема. Вместо этого, проектируйте тест на отказ от прохождения путем введения известной частоты шума (часто от собственного регулятора системы или внешнего генератора) и сравнения шумового пола ADC или определенной амплитуды шпоры с пределом. Некоторые точные ADC включают встроенные функции самотестирования, которые позволяют применять тестовый сигнал к внутреннему мультиплексному каналу, позволяя системе оценивать свои собственные характеристики шума в различных условиях питания. Это может поймать ухудшение PSRR из-за изменений компонентов или дефектов сборки.

Сохранение PSRR в течение температуры и срока службы

PSRR не является статическим. По мере изменения возраста и температуры полупроводников изменяются транспроводность транзисторов и импедансы пассивных компонентов. Керамические конденсаторы теряют емкость при смещение постоянного тока и при экстремальных температурах, смещая угловую частоту разъединяющих сетей и уменьшая высокочастотные PSRR. Алюминиевые электролитические конденсаторы могут высыхать, увеличивая ESR. Всегда разрушают конденсаторы и рассматривают возможность использования диэлектриков X7R или C0G для лучшей стабильности. Проверяйте производительность PSRR при ожидаемых экстремальных температурах и после ускоренного тестирования на срок службы для систем высокой надежности, таких как аэрокосмическое или медицинское оборудование.

Краткое изложение лучших практик

  • Анализ кривых PSRR по частоте , а не по одному значению dB; учитывайте наихудшую операционную точку.
  • Выберите компоненты с плоскими PSRR-ответами ; проверьте, что они адекватны на присутствующих частотах переключения.
  • Внедрить многоступенчатую фильтрацию источника питания с помощью LDO, ферритовых шариков и тщательно подобранных конденсаторов.
  • Разработка низкоимпедансной, разделенной ПХД с твердыми наземными плоскостями и отдельными аналоговыми/цифровыми энергетическими доменами.
  • Система проверки PSRR путем измерения в реальных условиях нагрузки и компоновки; лабораторные испытания предотвращают полевые сбои.
  • Рассматривайте гальваническую изоляцию , когда проводимая фильтрация недостаточна.
  • Разрушают конденсаторы и проводят испытания на температуру и срок службы , чтобы обеспечить согласованную ПСРР в течение всего срока службы изделия.

Заключение

Отношение отказов от подачи электроэнергии - это гораздо больше, чем одна строка данных; это динамический параметр системного уровня, который фундаментально влияет на точность систем сбора данных. Тщательно анализируя всю цепочку сигналов - от ссылки на усилитель до ADC - и рассматривая источник питания как неотъемлемую часть аналогового дизайна, инженеры могут достичь шумовых полей субмикровольта, которые требуют современные приложения. Глубокое понимание PSRR в сочетании с преднамеренным выбором компонентов, дисциплинированной компоновкой и тщательной валидации позволяет измерительным системам, которые надежно работают даже в самых электрических враждебных средах.