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为精密模拟电路设计超低噪声正负电源

作者:时间:2011-10-24来源:网络收藏

当今的一些高系统需要低电压轨来为电路供电,这些电路包括模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、双极放大器等等。如何产生清洁、稳定的电压轨为敏感型组件供电是摆在我们面前的一个设计挑战。

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/178493.htm

通常的解决方案是使用一个产生正轨的正降压或者升压开关,然后使用线性稳压器进行后期稳压,以减少开关形成的电压纹波。使用一个反向开关产生负轨。由于高压负低压降稳压器 (LDO) 的产品系列较少,因此我们一般使用一个离散式 LC 滤波器来减弱开关。尽管这种方法有效,但它要求设计人员花费时间来计算 LC 滤波器的精度和长期稳定性。

例如,图 1 所示参考设计便使用了 TPS54x60,其显示了一种更为简单的清洁电压轨生成方法。利用这种电路,通过一个开关转换器来构建电压轨。使用两个高电源抑制比 (PSRR)/低噪声 LDO 进行后期稳压,以消除开关噪声。LDO 的噪声性能去除了对于 LC 输出滤波器的需求。

要创建这种参考设计,需使用一个降-升压结构的 +60V 开关转换器来产生一个平衡的+/-输出电压。利用低噪声、高 PSRR LDO(例如:TPS7A30 和 TPS7A49 等),对开关的正负电压输出进行后期稳压。图 2 中,–18V 轨的开关稳压器电压纹波为约 40mV,而 +18V 轨则为 20mV。通过使用 LDO 对 300 kHz 开关稳压器的输出进行后期稳压,电压纹波得到极大减弱。这里,我们使用 60V 开关转换器,因为接地引脚参考至 –18V 轨,并且最大 VIN为 30V。在这种配置中,开关转换器必须承受的最大电压为 48V。请为其宽输入电压、低输出噪声和高 PSRR 选择 LDO。

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图 1 参考示意图

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图 2 表明 LDO PSRR 性能的示波器屏幕截图。

在今天的医疗、测试测量以及工业控制市场上,随着数据转换器分辨率的提高,或者说随着信号满量程范围的减小,对于更高噪声性能的需求变得越来越重要。表 1 显示了随着数据转换器分辨率的提高,1LSB 电压阶跃减小。或者,随着满量程电压摆动量级的减小,1 LSB 电压阶跃减小。随着 1 LSB 电压值减小,电源产生的噪声影响增加。电源产生的噪声增加了信噪比 (SNR),从而降低了数据转换器的有效分辨率。例如,由于电源产生的过度噪声,一个 16 位数据转换器会表现得像一个 14 位数据转换器。具体应由设计工程师来决定如何进行噪声和精确度之间的折中。

数据转换器精确度
表 1、LSB 折中考虑

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重新创建该设计的一种简单方法是使用我们用过的相同评估板:TPS54060EVM-590用于开关电路;TPS7A30-49REVM-567 用于 LDO。

只需将开关稳压器评估板 (EVM) 连接至 LDO EVM 的输入便可开始评估。如果这款解决方案不符合系统电压要求,请下载该负载点 (POL) DC/DC 转换器工具,对开关电路进行修改,以符合您的规范。如果 LDO 板要求不同的输出电压,请利用 LDO 产品说明书修改反馈电阻器,以计算理想输出电压要求的值。使用这种方法,可通过 12V 到 30V 的输入电压以及 +/−2.5V 到 +/−15V 范围的输出电压,产生正负电压轨。

结论

如果需要一款更简单的解决方案,产生极低噪声的稳定正负电压轨,为ADC、DAC、双极放大器等供电,则请考虑使用图 1 所示参考设计。请对可用的工具及应用支持进行评估,它们可以让正负电压电源的创建、评估和修改变得更加轻松。现在,你可以快速地创建电源部分,将更宝贵的设计时间花在数据转换电路上面,它对于在竞争中差异化您的应用至关重要。

参考文献
TPS7A3001 和 TPS7A4901 低压降线性稳压器评估模块。
TPS54060 分离轨电源评估模块。

作者简介

Pat Hunter 现任 TI 产品市场营销工程师,主要负责负载点电源解决方案的市场营销战略开发工作。Pat 毕业于北卡罗来纳大学 (University of North Carolina, Charlotte, North Carolina),获电子工程理学学士学位,他拥有一项专利。



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