检定采用内部旁路电容的数据采集μ模块器件的PSRR
作者：Naveed Naeem and Samantha Fontaine
在优化数据采集（DAQ）系统时，设计人员必须仔细考虑电源对高精度性能的影响。通常，电源电路包括低压差线性稳压器和DC-DC开关模式转换器的组合。开关模式转换器的一个缺点是会产生输出纹波。虽然纹波幅度相对较低，但它们会耦合到vwin 信号路径中的关键组件中，从而可能破坏测量并影响性能。电源组件通常必须具有低噪声，并在PCB上的多个位置进行充分的电源去耦，以防止信号链的性能下降。
电源抑制比（PSRR）是量化系统抑制电源噪声和扰动能力的指标。随着DAQ解决方案通过系统级封装（SiP）技术发展成为更完整的信号链解决方案，电源去耦可以与精密信号链共同封装，以改善整个系统的PSRR。
PSRR 定义
电源抑制比，也称为电源纹波抑制，本质上是电源电压变化与输出电压的比值，以dB表示。
以下公式定义了如何计算 PSRR （A2V是电压增益）。
PSRR是量化电路对电源噪声和扰动的灵敏度以及它如何影响电路输出的关键参数。它通常在从直流到几MHz的宽频率范围内测量，PSRR在较高频率下往往会降低。
系统设计人员经常在其电路的电源节点上添加去耦电容，以减少可能耦合到敏感元件中的噪声和毛刺。对于放大器，0.1 μF陶瓷电容放置在尽可能靠近电源引脚的位置，以减少高频耦合。此外，为了提供低频去耦，大型10 μF钽电容并联连接，通常放置在更靠近电源的位置。
PSRR动机
对电源效率的渴望是一些系统设计人员无法容忍高功率、低噪声电源转换组件的原因之一。电池供电的DAQ系统是需要低功耗高性能的应用示例，这是设计对电源噪声灵敏度较低的DAQ的重要动力。
现代设备通常包括由同一电池供电的多个系统。如果一个系统或设备的电流消耗在特定条件下增加，则电池电压以及由该电池供电的其他设备的任何电源电压可能会发生变化。由于这些原因，直流PSRR在设计系统的电池管理电路时非常重要。根据系统的灵敏度，设计人员可以使用LDO稳压器来帮助应对压降。交流PSRR也是电池供电系统中需要纹波感应降压、升压或反相稳压器的重要规格。
对于工业应用，系统噪声是一个关键指标。例如，来自附近来源的电磁干扰（EMI）可能会耦合到电源，从而导致噪声杂散和其他误差。为了帮助最大限度地减少这些噪声杂散，使用去耦电容和适当的PCB设计技术（如接地、屏蔽和正确的元件放置）非常重要。
图1显示了一个典型的精密数据采集系统信号链。每个组件受电源噪声的影响程度不同。添加适当的去耦电容可改善信号链中每个元件在较高频率下的PSRR性能，如图1所示。
图1.典型精密数据采集信号链。
ADI公司的信号链μModule数据采集解决方案有助于解决一些电源设计痛点，例如优化走线布局、增加去耦电容，以及在某些情况下，电源管理元件，如LDO稳压器。ADAQ4003是一款μModule数据采集解决方案，在所有电源上均包括去耦电容，以降低其对扰动的敏感性。ADAQ7980/ADAQ7988 μModule数据采集系统包括去耦电容和LDO稳压器。集成的LDO稳压器进一步简化了设计——系统设计人员只需提供一个干净的电源即可为μModule器件供电，如果需要，他们可以自由地绕过LDO稳压器。®
在分立元件上测试PSRR的当前方法
分立元件的PSRR测试是表征计划中的一个常见特征，因为它利用了一套成熟的标准和方法。分立元件的PSRR测试通常在没有任何外部电源去耦电容的情况下进行，有意揭示电源轨上大量噪声对性能的直接影响。
通常，函数发生器和示波器或网络分析仪可用于表征放大器的PSRR，方法是将各种频率音注入直流电源电压并测量DUT输出端的扰动量。
图2.分立式PSRR测试电路示例。
对分立器件执行交流PSRR测试需要将交流信号注入直流电源电压，并测量相对于电源激励的输出干扰。例如，ADA4945在频率为100 kHz时的PSRR为115 dB。这意味着 1 V峰，电源上的 100 kHz 交流干扰表现为大约 1.79 μV峰设备输出端的信号。
图3.全差分ADC驱动器ADA4945的PSRR与频率的关系
测试ADC的PSRR性能类似于测试放大器，但它不是电压输出，而是编码输出。对于交流PSRR，ADC的PSRR是ADC输出频率处的功率与施加在ADC V上的200 mV p-p正弦波的功率之比DD频率供应。图4和图5分别显示了SAR ADC的测试配置和由此产生的典型响应。
对于直流PSRR测试，误差是由于电源电压与标称值的变化而导致的满量程转换点的最大变化。
图4.单端ADC交流PSRR测试电路。
图5.模数转换器交流噪声抑制比响应。
测试SiP的PSRR的挑战在于它们包含多个高达30 μF的内部旁路电容，大多数信号发生器和网络分析仪都难以在更高频率下驱动如此大的容性负载。
如何表征信号链μ模块解决方案的PSRR
在表征信号链μModule解决方案的PSRR时，测试方法与测试放大器基本相同。交流信号叠加在直流电源电压上，并测量电源激励与μModule输出之间的关系。然而，由于内部电源去耦电容，随着进入电源的输入频率增加，对信号源电流驱动能力的需求也随之增加。内部电容确实提高了对交流PSRR的抗扰度，但该测试旨在考虑最坏的情况。
信号链μModule解决方案可应用于各种应用，因此SiP的PSRR测试必须类似于最终应用中的分立器件。虽然有多个分立元件，但很难预测整个系统将如何响应交流电源激励。
从特性分析的角度来看，内部旁路电容和适当的评估板设计是正确测试PSRR时要考虑的最重要因素（本文“评估板开发的设计考虑因素”部分将进一步介绍评估板设计）。任何内部旁路电容都会改善信号链μModule解决方案的交流PSRR，但该电容会影响测试的执行方式。
如前所述，信号发生器不具备驱动更大容性负载的能力。例如，考虑一个信号链μModule解决方案，其主电源上的内部旁路电容总计为3 μF，PSRR测试要求最大频率为10 MHz，幅度为50 mV p-p。基于这些条件，产生正弦波的信号发生器需要能够驱动大约4.71 A的电流，并具有足够的带宽来处理10 MHz信号。这是基于去耦电容在10 MHz时的阻抗。
为了提供足够的电流，可以使用ADA4870等高功率放大器来提供额外的电流源能力。此设置假设所使用的函数发生器可以提供必要的直流电压来偏置您的 DUT。如果不是这种情况，可以使用偏置三通来隔离直流和交流信号路径，或者您可以从给定的信号发生器获得可用的直流偏置，否则可以满足其他必要的输出要求。
图6.采用ADA4870的PSRR设置框图
使用ADA4870评估板可以相对轻松地与评估板和信号发生器连接，因为它具有SMA输入和SMA输出。
评估板开发的设计考虑因素
设计也可用于交流PSRR测试的评估板并不是大幅改变设计的理由。要记住的一些关键点是：
对于要测试PSRR的每个电源，提供通过SMA驱动它的选项，以保持信号源的信号完整性。
仔细注意减少从SMA输入到DUT上相关电源层的路径中的任何寄生电感和电容。任何寄生电容或电感都可能在目标频率上引起不必要的谐振。
对于每个电源，确保其相关的电源层是稳定的，也就是说，不要通过无源元件和多层分成多个部分。例如，电流检测电阻不应跨越两个电源层（如图7所示）。此外，应尽量减少电源跨层的次数，以避免过孔引起的寄生电感，如图8所示的高频模型所示。图7所示的电阻可用于电流检测，但在本例中，电阻为0 Ω。图9显示了更好的PCB电源层布线，而图10显示了高频等效模型。
图7.电源层连接不良设计示例。
图8.高频原理图等效于图7。
图9.优化 PCB 电源层布线：最佳性能。
图 10.高频等效于图9。
重要的是，在没有DUT的情况下测试评估板，以确保在目标频率范围内没有任何不必要的谐振。如果有任何共振，则应在数据处理过程中加以考虑。对于每个频率，示波器验证电源信号是否符合预期 - 不要相信信号发生器上的刻度盘。
测试设置
如前所述，被测信号链μModule解决方案的电源必须能够提供标称直流失调，以在最大输入频率下以足够的电流为DUT和交流激励供电。为了在此处所示的测试设置中实现此目的，ADA4870评估板与AD3256函数发生器结合使用，以实现2的同相增益。
图11显示了定制的ADA4870功率放大器评估板和ADA4355评估板。
图 11.ADA4355评估板，内置ADA4870，用于PSRR测试。
图12所示数据是通过捕获每个输入频率下的数据并查看每个频率下的FFT（dBFS）功率生成的。从那里，该频率下的电压电平通过使用公式4求解：
使用生成的 VOUT_PSRR要计算 PSRR，请执行以下操作：
图 12.ADA4355 PSRR结果。
结论
ADI公司的信号链μModule解决方案集成了信号调理、电源生成和无源内部元件。这些一体化系统级封装设计使客户能够以非常小的PCB占位面积快速实现所需的市场性能。尽管信号链μModule解决方案在易用性方面无与伦比，但必须进行适当的测试。虽然可以应用测试PSRR的标准做法，但由于标准设备的限制，通常需要额外的电流驱动能力。
审核编辑：郭婷
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