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如何降低运放电路中的电源噪声如何降低运放电路中的电源噪声
在这里,我们将噪声定义为任何在运放输出端的无用信号。噪声可以是随机信号或重复信号,内部或外部产
生,电压或电流形式,窄带或宽带,高频或低频。噪声通常包括器件的固有噪声和外部噪声,固有噪声包括:
热噪声、散弹噪声和低频噪声(1/f噪声)等,在这里我们不予讨论。外部的噪声通常指电源噪声、空间耦合干
扰等,通常通过合理的设计可以避免或减小影响。降低外部噪声的影响对发挥低噪声运放的性能至关重要。
常见外部噪声源
电源纹波
在全波整流的线性稳压供电的电路中,100Hz纹波是主要的电源噪声,对于运放电路,100Hz噪声电平通常要求控制在10nV
-100nV(RTI)内,这取决于三个因素:运放在100Hz时的电源抑制比(PSRR),稳压器的纹波抑制比及稳压器的输入滤
波电容的大小。图1是OP77的PSRR-频率曲线,可以看出,OP77在100Hz时PSRR大约是76dB,要获得不大于
100nV(RTI)的性能,供电电源的纹波必须小于0.6mV。常用的三端稳压一般能提供大约60dB的纹波抑制能力,在这种情况
下,稳压器的输入滤波电容必须足够大,以将输入端的纹波限制在0.6V以下。
电源去耦
典型的串联稳压器供电的电源中包含有幅度为150uV,频率范围为100Hz-100KHz的噪声,开关型电源更严重,运放的
PSRR在高频时以20dB/Decade的速度降低,通过在电源脚加RC或LC去耦网络,能滤除大部分噪声,电路形式如图3。在使
用RC去耦时,应该注意负载电流的变化会导致对电源脚上电压的调制。
图3:运放供电的RC去耦
电源调整率
任何电源电压的变化都会引起运放输入偏置电流的变化,图1中OP77的PSRR在DC时是126dB(0.5uV/V),电源电压的变化是
一个潜在的低频噪声源。在低噪声运放的应用中,降低电源的纹波和提高电源的调整率都很重要,电源调整率不足通常会引起
讨厌的低频噪声。
开关电源
开关电源是一个很严重的噪声源,下图是典型的开关电源输出端的电压波形:
可以看出,噪声频谱既包含开关频率及其谐波成分,还包含开关回路谐振引起的阻尼振荡的高频成分,从几十KHz一直延续到
几十MHz,而普通的运放在几百Hz以上时PSRR开始急剧下降,到几百KHz时几乎为零,此时,出现在输出端的电源噪声将很
严重。
影响途径和对策
除了注意对运放PSRR或CMRR参数的选择和加强运放供电去耦(如采用RC去耦)外,在开关电源供电设计中,还应注意如
下一些方面:
电源中的噪声可能通过基准源或PCB的漏电直接耦合到放大器的输入端。要注意对电压基准源输出的滤波,对于PCB漏电,
可在信号输入引线与电源走线间加地线防护。
噪声可能通过PCB走线之间的分布电容直接耦合到放大器输入端,造成干扰。在PCB布线时,要注意电源线与弱信号线不要
贴近平行走线,线净距大于线宽的3倍(3W原则),并在电源线或数字信号线与模拟小信号线之间加地线隔离。
接地处理不当,噪声通过公共阻抗影响敏感电路部分。为了防止公共阻抗将电源噪声引入信号回路,要注意如下几点:接地上
避免带噪声的大电流流过前级小信号地;单点接地,电源、模拟、数字电路分开接地;布板使用地平面层,最小化地线阻抗;
开关电源输出从最后一个滤波电容的地端引出电源地,避免从滤波电感前的电容的地端引出。
图5:共模阻抗噪声耦合示意图
开关管漏极开关电压驱动的位移电流,通过初次级分布电容,次级电路,次级对大地与杂散电容,大地与初级地之间的杂散电
容形成环路,次级模拟电路中流过的共模电流流过不平衡的阻抗转换成差模,对放大电路造成干扰(如图6)。共模方式引入
的干扰一般为开关噪声中的高频分量(数MHz以上)。措施主要有如下三点:提供一条从开关电源次级地返回初级地的低阻
抗噪声旁路通道,通常使用1000p~2200p的安规电容;使用共模扼流圈加强开关电源的输出的共模滤波;使用隔离技术,最
小化回路中的共模电流。
通过空间磁场耦合到具有一定环路面积的信号回路或地线环中,造成对信号的影响。另外来自开关电源或市电网络的高频干扰
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