为精密模拟电路设计超低噪声正负电源

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作者：Pat Hunter，德州仪器 (ti) 电源管理市场营销工程师

当今的一些高精密模拟系统需要低噪声正负电压轨来为精密模拟电路供电，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、稳定的正负电压轨为噪声敏感型模拟组件供电是摆在我们面前的一个设计挑战。

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电源，然后使用线性稳压器进行后期稳压，以减少开关电源形成的电压纹波。使用一个反向开关电源产生负轨。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 滤波器来减弱开关噪声。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正负电压轨。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。

图 1 参考示意图

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

# Bits	5V FSR / 1 LSB	10V FSR / 1 LSB
8	20mV	40mV
12	1.2mV	2.4mV
14	0.3mV	0.6mV
16	76uV	152uV
20	4.8uV	9.6uV
24	0.3uV	0.6uV

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。