電源抑制比(PSRR)的基礎(chǔ)知識

電源抑制比，英文名Power Supply Rejection Ratio，簡稱PSRR，它描述了電路抑制任何電源變化傳遞到其輸出信號的能力，通常以dB為單位進行測量，用來描述輸出信號受電源影響。它最常與運算放大器 (op amps)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器和低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的使用相關(guān)。

對于運算放大器，電源抑制比描述了放大器在其直流電源電壓變化時保持其輸出電壓的能力。與此同時，電源抑制比量化了在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中阻止來自輸入源的紋波電壓的能力。

理想運算放大器的PSRR為零。但是，實際運算放大器的PSRR與頻率有關(guān)。信號頻率越高，PSRR越低。PSRR通常根據(jù)輸入來衡量，但沒有行業(yè)標準。例如，當根據(jù)輸入指定時，PSRR=10log (ΔVsupply2Av2 )/ΔVout2 )，其中 Av=電壓增益。PSRR越大，輸出信號受到電源的影響也就越小，所以同情況下希望運放的PSRR越大越好。

在低噪聲和精密應(yīng)用中，PSRR是非常重要的，原因有幾個。首先，運算放大器的輸出是電源以及輸入值的函數(shù)，如果放大級對通過電源輸入的信號過于敏感，則可能會發(fā)生不需要的振蕩。此外，較差的PSRR會導(dǎo)致效率降低。所以，良好的PSRR在需要最低功耗的精密汽車、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)計中非常重要。

運算放大器的PSRR

眾所周知，PSRR在設(shè)計中至關(guān)重要時，因此設(shè)計人員應(yīng)該獨立于數(shù)據(jù)表測量其值。制造商給出的數(shù)據(jù)確實很好看，但不同的設(shè)計需求對PSRR的要求也是不盡相同。尤其是在較高頻率下(如下圖)，測量PSRR通常在+Vcc和-Vee上使用平衡信號，以防止共模效應(yīng)影響PSRR測量。

但是，實際電路設(shè)計中可能并不總是存在平衡信號，所以這會影響PSRR。此外，PSRR與信號幅度有關(guān)。在許多應(yīng)用電路中，電源線上的紋波和噪聲將遠低于用于開發(fā)數(shù)據(jù)表中使用的測試數(shù)據(jù)的紋波和噪聲。在實際電路實現(xiàn)中，電路增益和PCB寄生參數(shù)也會影響PSRR。

(數(shù)據(jù)表中運算放大器的PSSR(左)和實測值(右)比較)

LDO中的PSRR

在LDO中，PSRR有時稱為電源電壓抑制比 (SVRR)，用于衡量LDO在各種頻率下抑制輸入噪聲的能力(如下圖所示)。

PSRR可能是音頻、射頻 (RF) 以及醫(yī)療和其他傳感器應(yīng)用中的一個關(guān)鍵參數(shù)。輸入紋波可能有多種來源，包括來自電源的50/60Hz干擾、來自上游DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出紋波，或來自PCB上不同電路塊耦合的紋波。PSRR通常在10Hz到1MHz或更高頻率范圍內(nèi)測量。對于電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，PSRR=20 log(紋波輸入/紋波輸出)。

(高PSSR使LDO能夠充當噪聲濾波器，以防止輸入上的紋波和噪聲耦合到輸出)

LDO PSRR包括三個頻率區(qū)域(如下圖所示)。在較低頻率區(qū)域，直到帶隙濾波器的滾降頻率，PSRR由開環(huán)增益和帶隙因子的組合產(chǎn)生。在帶隙濾波器的滾降頻率之上，直到單位增益頻率，PSRR主要是LDO開環(huán)增益的結(jié)果。

高于單位增益頻率時，在下圖區(qū)域3中，PSRR受輸出電容支配，受Vin和Vout之間寄生效應(yīng)的影響較小。使用具有較低等效串聯(lián)電阻的較大輸出電容器可以提高區(qū)域3的PSRR，但也可能會影響較低頻率下的PSRR。雖然可以使用具有更高PSRR的LDO來代替更大輸出電容器，但是具有高PSRR額定值的LDO往往需要更高的電源電流，這樣比較容易受到振蕩的影響。

(不同原因?qū)е翷DO PSRR的出現(xiàn))

如上所述，區(qū)域2中的PSRR主要由反饋回路的增益決定，任何影響增益的因素也會影響PSRR。例如，較高的負載電流往往會降低LDO的輸出阻抗，從而降低增益。此外，更高的負載電流將輸出極移到更高的頻率，從而增加反饋回路的帶寬。因此，組合效應(yīng)可以較低頻率降低了PSRR，在較高頻率增加了PSRR。

LDO與DC-DC轉(zhuǎn)換器的配合使用

在某些情況下，LDO和開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的組合可以為噪聲敏感設(shè)備提供最佳電源。當噪聲不是主要考慮因素時，例如為數(shù)字電路供電時，僅使用DC-DC的解決方案可提供更高的效率(相同尺寸和成本情況下)。另一方面，僅使用LDO可以提供一種小型、簡單且成本合理的解決方案，但效率較低。

與僅使用LDO的方法相比，使用具有DC-DC轉(zhuǎn)換器的高PSRR LDO可以解決效率更高的問題，并且與使用沒有LDO的DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，噪聲更低。事實上，它產(chǎn)生的噪聲與僅使用LDO的解決方案一樣低。例如，在具有12Vdc電源總線的分布式電源架構(gòu)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于將大容量配電電壓降低至3.6VDC，并饋入高PSRR LDO以提供3.3Vdc以向噪聲敏感電路元件供電。如下圖所示，LDO輸出的紋波在幾十毫伏范圍內(nèi)，遠低于DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波。