减少高速信号链电源可能出现的问题

我们在实际做项目中，是否曾经遇到过信号链性能不足的情况，却发现问题出在电源上?在这篇文章中，我将描述信号链中由于电源而遇到的一些问题以及如何解决这些问题。

高速信号链设计可以具有以下两个元素：1) 带有放大器和 ADC 的接收路径或 2) 带有 DAC 和放大器的发送路径。以下重点介绍电源与信号链的交互以及如何实现最佳性能。

从 DC/DC 转换器噪声频谱开始，我们看到电源噪声源与信号链中的噪声源相同：

热噪声：

· 1/f 从 DC 到 ~1kHz

· 平带噪声至 30kHz

· 然后通过误差放大器的有限带宽滚降热噪声

DC/DC 转换器开关频率和谐波处存在的开关噪声。

噪声有两个主要成分，热噪声和开关噪声。每个组件可能对最终应用程序产生不同的影响，因此消除一个与另一个可能在我们的应用程序中更为关键。

如果最终应用在信号链中使用平均技术，那么我们的系统可能对热噪声不太敏感，但开关噪声会产生鬼信号。如果我们的系统分辨率较低(8 位到 10 位)，那么热噪声和开关噪声都不会严重影响我们的系统性能，并且 DC/DC 转换器可能与电源一样足够。如果我们以需要高动态范围的高速传输数据，我们的系统将需要比 DC/DC 转换器更好的性能。在这种情况下，需要在 DC/DC 转换器之后插入一个线性稳压器，以降低热噪声和纹波噪声。

这就是低压差稳压器 (LDO) 发挥作用的地方。为获得最佳电源效率，设计需要在我们指定的电流下压差小于 100mV。请注意，LDO 的传输元件(和其他封装寄生)会产生与输出电流线性相关的电压降。这意味着 1A 的 1V 压差(不是低压差 LDO)在 100mA 时只有 100mV 的压差。在本例中，传输元件将具有 1Ω 斜率。

现代低压差稳压器在最大负载下的压差低于 200mV。例如，TPS7A8300 在 2A 时具有最大 200mV(在任何输入电压、温度和其他工作条件下)。如果使用偏置电压(电源电压高于 1.4V 时不需要)，则最大压差变为 125mV(见表 1)。在为标称运行设置稳压器两端的压降时，我们需要考虑输入电源容差、输出电源容差和交流性能，例如 PSRR。电压降越大，PSRR 性能越好。请注意，高电压降也是更高功耗的代名词。

任何 LDO 热耗散都可以近似为：

请注意，这里没有显示接地电流。可以理解，它总是比负载电流小几个数量级。这种简化不适用于轻负载，因此在使用此公式时请记住这一点。

那么效率就变成了：

使用如TPS7A8300所示的压降电压，可以在 LDO 两端的 250mV 压降下运行，这意味着对于 1.25V 输出电压，效率为 83.34%。随着输出电压的增加，效率也会增加。当使用 1.8V 输出电压时，保持 LDO 上的相同电压降可将效率提高到 87.8%。

通过在信号链电源的 DC/DC 转换器之后使用 LDO，系统将表现出更低的热噪声或开关噪声。显示了具有出色 PSRR(1MHz 时为 60dB)的低噪声 LDO(6µV RMS TPS7A8300)驱动高速 DAC DAC38J84，其结果与电压纹波通过双 π-衰减的 DC/DC 转换器相比较。筛选。

使用 LDO 而不是 π 滤波器，可以缩小 PCB 布局，同时在信号链中实现更高的性能。 与 LDO 相比，系统的功耗成本最小，因为 π 滤波器还具有寄生电阻。

当系统未按预期运行并且无法在信号路径中找到解决方案时，对电源路径进行分析可能会导致信号链性能受到限制。使用高性能 LDO，无论是作为现有 LDO 的升级，还是作为为信号路径供电的附加级，都可以提高系统性能，而无需对信号路径进行任何重大升级。