如何測(cè)量LDO輸出電壓中交流電壓峰峰值
2022-06-20
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PSRR是什么
PSRR（Power supply rejection ratio）又稱(chēng)電源抑制比，是衡量電路對(duì)于輸入電源中紋波抑制大小的重要參數(shù)，表示為輸出紋波和輸入紋波的對(duì)數(shù)比，單位為分貝（dB）[1]，其計(jì)算公式為:
式中：
：輸入電壓中紋波峰峰值
：輸出電壓中紋波峰峰值
從公式中可以看出PSRR越大，相同輸入紋波在輸出端的紋波越小，對(duì)于紋波有較高要求的射頻和無(wú)線(xiàn)應(yīng)用中，需要選用高PSRR的LDO。那么LDO的PSRR該如何測(cè)量呢？本文總結(jié)了各種測(cè)量方法。
PSRR測(cè)量原理
在LDO輸入的直流電壓Vin_DC中疊加一定頻率且峰峰值為Rippleinput的交流電壓Vin_AC（交流電壓峰峰值一般為數(shù)百毫伏），然后測(cè)量LDO輸出電壓中Vout_DC的交流電壓Vout_AC峰峰值Rippleoutput，最后利用公式1計(jì)算出在該頻率下的PSRR。
LDO的輸入電壓在測(cè)試中需要滿(mǎn)足以下條件：
輸入電壓最大值不能超過(guò)LDO的最大工作電壓。
輸入電壓最小值大于LDO輸出電壓與壓降之和。
PSRR測(cè)量原理十分簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)并不容易，主要體現(xiàn)為：
如何在直流電壓中疊加交流電壓呢？具有偏置電壓功能的信號(hào)發(fā)生器好像可以滿(mǎn)足要求，但是信號(hào)發(fā)生器最大輸出電流一般為數(shù)十毫安，如果要測(cè)量輸出為150mA的LP5907便無(wú)法滿(mǎn)足要求。
如何測(cè)量LDO輸出電壓中交流電壓峰峰值呢？一般的示波器只能測(cè)量到毫伏級(jí)電壓，當(dāng)LDO的PSRR為60dB時(shí)，輸出紋波通常小于1mV，示波器就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量了。
針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，本文將介紹相應(yīng)的解決方法。
輸入直流電壓疊加交流電壓
1.輸入注入器
使用專(zhuān)業(yè)的輸入注入器，比如J2120A，帶寬10Hz-10MHz，直流電壓最大值為50V，輸出電流可達(dá)5A，配合網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量LDO輸入和輸出的交流電壓，利用軟件繪制出LDO在設(shè)定頻率范圍內(nèi)的PSRR。
圖1 輸入注入器和網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試PSRR
2. 加法運(yùn)放電路
使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)加法電路，將直流電壓和交流電壓疊加在輸出端。運(yùn)放的選擇需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本條件：
1） 運(yùn)放的帶寬滿(mǎn)足LDO測(cè)試范圍。
2） 運(yùn)放的最大輸出電流不小于LDO最大輸出電流。
3） 運(yùn)放的輸出電壓范圍覆蓋LDO的輸入電壓范圍。
TI滿(mǎn)足以上要求的運(yùn)算放大器有許多，比如OPA552、OPA564、THS3120等，加法電路圖如圖2所示（R1=R2），該電路的最低截止頻率由C1和R1所決定[2]，最高截止頻率由運(yùn)放的帶寬所決定。
圖2 加法運(yùn)放電路
如果信號(hào)發(fā)生器直流偏置電壓最大值滿(mǎn)足測(cè)量需求，也可以將運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為電壓跟隨器。用該方法在測(cè)量PSRR時(shí)要去掉LDO的輸入電容，避免運(yùn)算放大器不穩(wěn)定。
3.LC節(jié)點(diǎn)法
利用電感和電容實(shí)現(xiàn)直流電壓和交流電壓疊加的方法如圖3所示，該電路的最高頻率由L1和C1所決定，最低頻率由C1所決定。
圖3 LC節(jié)點(diǎn)法
LDO輸出交流電壓測(cè)量
1.示波器測(cè)量
對(duì)于一般的示波器可以測(cè)量到毫伏級(jí)電壓，當(dāng)LDO的PSRR不高于40dB~50dB時(shí)，如果輸入交流電壓峰峰值為1V，那么LDO輸出中的同頻率交流電壓峰峰值為3mV~10mV，可以用示波器直接測(cè)量。
2.放大器和示波器測(cè)量
當(dāng)LDO的PSRR大于50dB時(shí)，由于輸出紋波幅值通常小于1mV，無(wú)法利用示波器直接測(cè)量。這時(shí)可以考慮使用運(yùn)算放大器將LDO輸出交流電壓放大100倍甚至更高，在設(shè)計(jì)運(yùn)放時(shí)需要考慮:
1) LDO輸出有直流電壓，電路需要將直流電壓去掉。
2) 放大電路自身產(chǎn)生的噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于放大后交流電壓。
3) 運(yùn)放輸入失調(diào)電壓不能太大，否則經(jīng)放大電路放大后會(huì)輸出很大的直流電壓。
4) 放大電路的帶寬滿(mǎn)足LDO的PSRR測(cè)量頻率范圍。
因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇低噪聲、低輸入失調(diào)電壓和高帶寬的運(yùn)算放大器，比如OPA211、OPA228、OPA189等。放大電路如圖4所示，該電路的最低截止頻率由C1和R1所決定，最高截止頻率由運(yùn)放的帶寬所決定。
圖4 放大電路
3. 頻譜分析儀測(cè)量
頻譜分析儀可以測(cè)量微伏級(jí)電壓信號(hào)，可以配合使用高阻抗輸入探頭來(lái)測(cè)量LDO輸出交流電壓。但是頻譜分析儀高阻抗輸入探頭通常比較昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有配備，這時(shí)可以考慮用運(yùn)算放大器搭建一個(gè)高輸入阻抗探頭，可參考Steve Hageman在擴(kuò)展射頻頻譜分析儀可用范圍的高阻抗FET探頭[3]中提到的電路，如圖5所示，運(yùn)算放大器可以選用OPA656。
圖5 高阻探頭電路
PSRR測(cè)量
本次測(cè)量的LDO是TPS7A4901，將TPS7A4901EVM的輸出電壓重新設(shè)計(jì)為1.2V，輸出電容改為10uF。采用THS3120作為直流電壓和交流電壓疊加電路，利用THS3120EVM并將其改為圖6所示的電路。選用OPA211設(shè)計(jì)為圖7所示的100倍放大電路。
圖6 THS3120直流電壓和交流電壓疊加電路
圖7 OPA211放大電路
THS3120和OPA211供電電壓為±15V，THS3120直流電壓為3.2V，交流正弦電壓為1kHz且峰峰值為1V。 TPS7A4901輸出電流為150mA，NR/SS腳電容和前饋電容未接。圖8為L(zhǎng)DO放大后輸出紋波和輸入紋波，圖9是TPS7A4901放大后輸出紋波FFT變換。
圖8 LDO放大后輸出紋波（黃線(xiàn)）和輸入紋波（藍(lán)線(xiàn)）
圖9 TPS7A4901放大后輸出紋波FFT變換
從圖9中可以得出在1kHz時(shí)的輸出紋波幅值為-26.46dbV，換算成未放大LDO輸出電壓中1kHz紋波峰峰值為0.95mV，利用公式1可得出PSRR為60.4dB，與datasheet中62dB較為接近，改變交流電壓頻率還可以測(cè)量在不同頻率下的PSRR。
如果使用輸入注入器和網(wǎng)絡(luò)分析儀可以方便得測(cè)量出LDO在設(shè)定頻率范圍的PSRR曲線(xiàn)。如果沒(méi)有輸入注入器和網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以選擇上訴所列舉的輸入和輸出的一種組合，然后設(shè)定一個(gè)頻率，測(cè)量輸入輸出電壓中交流電壓幅值 和 ，利用公式1得出PSRR，然后改變輸入交流信號(hào)頻率重復(fù)測(cè)量，最終得到整個(gè)頻率范圍內(nèi)的PSRR曲線(xiàn)。
審核編輯：何安淇
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