【E問E答】怎樣降低運(yùn)放電路中的電源噪聲？

　　噪聲可以是隨機(jī)信號或重復(fù)信號，內(nèi)部或外部產(chǎn)生，電壓或電流形式，窄帶或?qū)拵?，高頻或低頻。噪聲通常包括器件的固有噪聲和外部噪聲，固有噪聲包括：熱噪聲、散彈噪聲和低頻噪聲(1/f噪聲)等，在這里我們不予討論。外部的噪聲通常指電源噪聲、空間耦合干擾等，通常通過合理的設(shè)計(jì)可以避免或減小影響。降低外部噪聲的影響對發(fā)揮低噪聲運(yùn)放的性能至關(guān)重要。

　　常見外部噪聲源

　　電源紋波

　　在全波整流的線性穩(wěn)壓供電的電路中，100Hz紋波是主要的電源噪聲，對于運(yùn)放電路，100Hz噪聲電平通常要求控制在10nV-100nV(RTI)內(nèi)，這取決于三個(gè)因素：運(yùn)放在100Hz時(shí)的電源抑制比(PSRR)，穩(wěn)壓器的紋波抑制比及穩(wěn)壓器的輸入濾波電容的大小。圖1是OP77的PSRR-頻率曲線，可以看出，OP77在100Hz時(shí)PSRR大約是76dB，要獲得不大于100nV(RTI)的性能，供電電源的紋波必須小于0.6mV。常用的三端穩(wěn)壓一般能提供大約60dB的紋波抑制能力，在這種情況下，穩(wěn)壓器的輸入濾波電容必須足夠大，以將輸入端的紋波限制在0.6V以下。

　　電源去耦

　　典型的串聯(lián)穩(wěn)壓器供電的電源中包含有幅度為150uV，頻率范圍為100Hz-100KHz的噪聲，開關(guān)型電源更嚴(yán)重，運(yùn)放的PSRR在高頻時(shí)以20dB/Decade的速度降低，通過在電源腳加RC或LC去耦網(wǎng)絡(luò)，能濾除大部分噪聲，電路形式如圖3。在使用RC去耦時(shí)，應(yīng)該注意負(fù)載電流的變化會導(dǎo)致對電源腳上電壓的調(diào)制。

　　圖3：運(yùn)放供電的RC去耦

　　電源調(diào)整率

　　任何電源電壓的變化都會引起運(yùn)放輸入偏置電流的變化，圖1中OP77的PSRR在DC時(shí)是126dB(0.5uV/V)，電源電壓的變化是一個(gè)潛在的低頻噪聲源。在低噪聲運(yùn)放的應(yīng)用中，降低電源的紋波和提高電源的調(diào)整率都很重要，電源調(diào)整率不足通常會引起討厭的低頻噪聲。

　　開關(guān)電源

　　開關(guān)電源是一個(gè)很嚴(yán)重的噪聲源，下圖是典型的開關(guān)電源輸出端的電壓波形：

　　可以看出，噪聲頻譜既包含開關(guān)頻率及其諧波成分，還包含開關(guān)回路諧振引起的阻尼振蕩的高頻成分，從幾十KHz一直延續(xù)到幾十MHz，而普通的運(yùn)放在幾百Hz以上時(shí)PSRR開始急劇下降，到幾百KHz時(shí)幾乎為零，此時(shí)，出現(xiàn)在輸出端的電源噪聲將很嚴(yán)重。

　　影響途徑和對策

　　除了注意對運(yùn)放PSRR或CMRR參數(shù)的選擇和加強(qiáng)運(yùn)放供電去耦(如采用RC去耦)外，在開關(guān)電源供電設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意如下一些方面：

　　電源中的噪聲可能通過基準(zhǔn)源或PCB的漏電直接耦合到放大器的輸入端。要注意對電壓基準(zhǔn)源輸出的濾波，對于PCB漏電，可在信號輸入引線與電源走線間加地線防護(hù)。

　　噪聲可能通過PCB走線之間的分布電容直接耦合到放大器輸入端，造成干擾。在PCB布線時(shí)，要注意電源線與弱信號線不要貼近平行走線，線凈距大于線寬的3倍(3W原則)，并在電源線或數(shù)字信號線與模擬小信號線之間加地線隔離。

　　接地處理不當(dāng)，噪聲通過公共阻抗影響敏感電路部分。為了防止公共阻抗將電源噪聲引入信號回路，要注意如下幾點(diǎn)：接地上避免帶噪聲的大電流流過前級小信號地;單點(diǎn)接地，電源、模擬、數(shù)字電路分開接地;布板使用地平面層，最小化地線阻抗;開關(guān)電源輸出從最后一個(gè)濾波電容的地端引出電源地，避免從濾波電感前的電容的地端引出。

　　圖5：共模阻抗噪聲耦合示意圖

　　開關(guān)管漏極開關(guān)電壓驅(qū)動的位移電流，通過初次級分布電容，次級電路，次級對大地與雜散電容，大地與初級地之間的雜散電容形成環(huán)路，次級模擬電路中流過的共模電流流過不平衡的阻抗轉(zhuǎn)換成差模，對放大電路造成干擾(如圖6)。共模方式引入的干擾一般為開關(guān)噪聲中的高頻分量(數(shù)MHz以上)。措施主要有如下三點(diǎn)：提供一條從開關(guān)電源次級地返回初級地的低阻抗噪聲旁路通道，通常使用1000p~2200p的安規(guī)電容;使用共模扼流圈加強(qiáng)開關(guān)電源的輸出的共模濾波;使用隔離技術(shù)，最小化回路中的共模電流。

　　通過空間磁場耦合到具有一定環(huán)路面積的信號回路或地線環(huán)中，造成對信號的影響。另外來自開關(guān)電源或市電網(wǎng)絡(luò)的高頻干擾可能通過空間雜散電容直接耦合到信號回路。設(shè)計(jì)中的考慮包括：合理的布局、調(diào)整電感線圈或變壓器放置方向、優(yōu)化布線，減小關(guān)鍵信號的回路面積，避免形成地環(huán)路可以減小干擾;雙面或單面板布線，注意信號線和地線，電源線與地線一定要貼近平行走線;使用1000p電容射頻多點(diǎn)接地，可以兼顧EMC和低頻信噪比的需求;對敏感電路加屏蔽，注意屏蔽層連接到被保護(hù)信號的參考地;走線設(shè)計(jì)上注意電源線不要和信號線捆扎在一起。

　　小結(jié)

　　在運(yùn)放電路設(shè)計(jì)中降低電源噪聲的主要措施包括：

　　通過去耦、濾波等措施降低電源輸出的紋波和噪聲成分。

　　改善設(shè)計(jì)，提高電源電壓調(diào)整率。

　　合理電路結(jié)構(gòu)、考究的PCB布線、合理的走線工藝。

　　選擇在敏感噪聲頻段的PSRR或CMRR較高的器件。