使用追踪电源来提高信号链性能

1、使用追踪电源来提高信号链性能本文阐述了直流偏置电源对敏感模拟应用中所用法运算 (op amp) 产生的影响，此外还涉及了电源排序及直流电源对输入失调的影响。另外，本文还介绍了一种通过线性稳压器(普通不具有追踪能力)轻松实施追踪分别电源的办法，以协助最小化直流偏置电源带来的一些不利影响。在许多中，直流偏置电源会影响运算放大器的性能，特殊是在与高位计数模数转换器 () 一起用法或者用于敏感电路的信号调整时。直流偏置电源电压打算放大器的输入共模电压以及许多其他规范。在上电期间，必需协调直流偏置电源的挨次来防止运算放大器锁闭。这样会毁坏、损坏或者阻挡运算放大器正常运行。本文说明了追踪电源对运算放大器的

2、重要性，并介绍了一种利用通常不具有追踪能力的线性稳压器轻松实施一个追踪分别电源的办法。给一个运算放大器供电有两种常见办法。第一种也是最容易的一种办法是用法一个单一正电源， 1 (a) 所示。其次种办法是用法一个分别(双)电源(1 (b) 所示)，其同时具有一个正电压和一个负电压。这种分别电源在许多中都十分实用，由于它允许包括零电压电位的输入信号或者在正与负之间摇晃的输入信号。图 1 运算放大器供电选项不管用法哪一种办法，输入共模电压都由电源电压打算。输入共模电压只是两个电压的算术平均数。方程式 1 可用于计算输入共模电压，其中 vp 为正电压轨的值，而 vn 为负电压轨的值。就一个单电源系统而

3、言，vn 始终为零，由于运算放大器的负电源轨衔接到接地电位。利用图 1 所示数值，单电源运算放大器具有一个 7.5v 的输入共模电压，而分别电源运算放大器有一个 0v 的输入共模电压。一些运算放大器可以工作在单电源结构也可以工作在分别电源结构中。一些运算放大器甚至可以同非对称分别电源(vp 大小与 vn 不等)一起工作。全部状况下，设计人员都需要验证运算放大器是否能够支持期望的电源配置结构。另外，许多运算放大器都具有用法分别电源的特点。因此，假如一个运算放大器专为单电源结构中分别电源运行而设计，则可能会存在一些性能差异。用法对称分别电源时，正负电压必需相互追踪，特殊是在电路初次上电时。追踪电源

4、是一种调整其输出电压至另一个电压或信号的电源。对于大多数运算放大器而言，正电源电压与负电源电压始终应当大小相等而极性相反。另外，您也可以对负电源举行调整，使其与正电源大小相等而极性相反。两种办法都会产生相同的上电波形。假如两个电源并非大小相等而极性相反，则运算放大器可在上电期间锁闭。锁闭可能会毁坏、损坏或者阻挡运算放大器正常运行。图 2 显示了一个典型运算放大器电源电路的暗示图。此处，一个提供一个正 18v 和一个负 18v。两低压降 () 线性稳压器进一步将 ±18v 调整至 ±15v。该 ldo 普通安装在电源和运算放大器之间，旨在降低开关电源产生的高频开关噪声。ldo

5、 具有较高的电源抑制(以比率表示，psrr)，其削弱了宽带频率下 ldo 输入的噪声。图 2 运算放大器的典型电源结构这样可协助向运算放大器提供低噪声电源。运算放大器还具有自己的 psrr，其普通在 80db 以上。然而，运算放大器仅在数千赫兹带宽时具有高 psrr，因此 ldo 用于提供高达数百千赫兹带宽的高 psrr。图 2 所示电路本身没有追踪能力。在上电期间，无法保证每个 ldo 与另一个 ldo 大小相等而极性相反。上电期间每个 ldo 的输出电压都由全部软启动电路、限流、负载、负载以及输入电压打算。因此，在启动时两个电压大小不同而极性也不相反是有可能的。另外，ldo 上电并提供稳态

6、的 dc 输出以后，它们仍然有可能大小不等，由于每个 ldo 都具有其自己的输出电压精度，而且反馈会因其容差而略微不同。除上电期间的锁闭问题以外，假如每个电源的终于工作 dc 电压随时光而变幻，则电源会对系统性能产生影响。电源输出会因线电压、负载电流变幻和温度变幻而不同。电源输出会在其精度规范内有所不同，其普通为额定输出电压的 3% 到 5%。尽管这些电源电压的变幻很小，但却会转变运算放大器的输入共模电压点，其通常被建模为运算放大器输入的额外补偿电压。由于运算放大器有高 psrr，因此建模补偿电压等于输入共模电压变幻值除以运算放大器的 psrr。方程式 2可用于计算电源变幻引起的运算放大器输入

7、的补偿电压。方程式 2 所示 psrr 以分贝表示，其可在大多数运算放大器产品解释书中找到。方程式 2 给出了以运算放大器输入为参考的补偿电压。用方程式 2 所得结果乘以运算放大器增益，运算放大器输出可参考补偿电压。因为运算放大器的 psrr 进一步降低了电源的极小变幻，因此您可能会错误地得出如下结论：电源电压的极小变幻在系统中影响微小或者没有影响。作为一个定量举例，我们可对一个全差动运算放大器举行分析，其将信号缓冲至一个 24位 adc。图 3 显示的是一个用法全差动运算放大器的简化暗示图，例如：opa1632，其配置为一个为 24 位 adc(例如：ads1271)提供信号的单位增益缓冲器

8、。该电路是 adc 评估电路板的简化暗示图。运算放大器由 ldo 供电，其线压、负载和温度精度为 3%。ldo 的输出电压针对 ±15v 标称值举行配置。图 3 计算补偿误差影响的示例电路假如每个 ldo 的输出电压均恰好各是 +15v 和 -15v，则共模输入电压刚好为 0v。就本例而言，假如零伏在其输入上，则我们自 adc 读取零计数。那么，电源大小相等而在运算放大器输入上没有信号的状况下，您会从 adc 读取零计数。然而，假设正电压 ldo 输出增强 3%，仍然没有超出 ldo 规范。用法 15v 输出时，这 3% 的变幻等同于电源电压从 450mv 升高到 15.45v。按照

9、数据表，运算放大器的典型 psrr 为 97db。方程式 2 现在可用于计算运算放大器输入的失调电压。在运算放大器输入有一个额外的 3.178v 失调电压。因为运算放大器被配置为一个单位增益缓冲器，因此该 3.178v 也存在于输出，并施加于adc。adc 的满量程输入范围为 ±2.5v，因此每个 adc 位相当于 298nv。用法电源产生的补偿电压，adc 现在读取 11 个计数，而非零计数。电源在读取 adc 计数中引入了一个 dc 补偿误差。该误差会因 ldo 输出电压而不同，而 ldo 输出电压又随时光、温度、负载电流和输入电压而变幻。这便使得这种误差难以通过校准去除掉，也让

10、 adc 的低四位变得不确定。提高 ldo 追踪和精度(或者漂移)性能的一种容易办法是将图 2 所示电路修改为图 4 所示电路。附加放大器 u1 和四个电阻需要针对 2 增益举行配置。额定值条件下，r3 和 r4 之间的节点应为零伏。因此，r1 的值必需等于 r2，而 r3 的值必需等于 r4。图 4 添加追踪的电路。图 2 中，每个 ldo 的反馈网络都衔接至接地。图 4 中，反馈电阻衔接至接地，且由 u1 的输出驱动。现在，假如任何电源转变其输出电压，则差异浮现在 u1 的非反相输入上，并被增益至本来的 2 倍。因为 u1 的输出同时驱动两个 ldo 反馈网络，因此同时对两个 ldo 实施

11、校正以强制其输出大小相等。必需注重图 4 所示电路。u1 的输出可驱动至临近或者等于为 u1 供电电源轨的电压。假如用法输入源的 ±18v 为 u1 供电，则输出可驱动至高达 18v 的电压。该 18v 输出应用于 ldo 的反馈引脚，其可能超出其肯定最大电压额定值。我们可以添加钳位，在 ldo 的高动态负载环境下、短路条件下或者上电期间庇护 ldo 反馈引脚。图 5 显示的是加装追踪电路和庇护二极管的 ldo 暗示图。为了让暗示图更易于理解，u3 的每个电源轨的 10 f 旁路都已脱去不用。图 5 带电压庇护的 ldo 追踪电路图 5 所示电路用法一个如 tps7a3001 等可调

12、整、负输出电压 ldo 线性稳压器，以及如 tps7a4901 等可调整、正输出电压 ldo。u3、r7-r10 和 c3 均为增强的组件，用于追踪。r1、r2、d1-d5 均为增强组件，用于将反馈引脚的电压控制在其各自产品解释书额定的肯定最大电压范围内。全部其他组件普通都是为了支持 ldo，例如：输入和输出电容以及反馈电阻。所示 ldo 可支持 ±36v 范围的输入电压，但因为tle2141运算放大器的建议电压极限，该电路的输入电压降低至 ±22v。可以挑选更高电压的运算放大器，以笼罩 ldo 完整的 ±36v 输入范围。在两种 ldo 反馈控制计划中，追踪电路都形成了一个附加电压环路。所增强的运算放大器 u3 的带宽需要由 c3 降低，以维持系统稳定性。u3 带宽需要起码为最低 ldo 电压环路的 1/10。这就意味着 u3 普通只会有几千赫兹的带宽。因此，它将不会加到系统的高频 psrr。ldo 的 psrr 主要打算系统的高频 p