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超詳細(xì),22節(jié)內(nèi)容!ADI工程師,帶您學(xué)習(xí)放大器電源

發(fā)布時(shí)間:2022-05-25作者來源:電源研發(fā)聯(lián)盟瀏覽:2284


放大器是構(gòu)筑模電大廈最基礎(chǔ)的磚石,它是一種有源器件,需要供電才能工作,電源的不同選擇和設(shè)置也會(huì)對放大器參數(shù)性能產(chǎn)生影響,因此,不管您是已入職場的設(shè)計(jì)人員,還是在正在學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的學(xué)生,都應(yīng)該對放大器電源有更多的了解。

01 電源電壓范圍


電壓范圍由什么決定?


選擇一個(gè)放大器的時(shí)候,電源范圍是首先要確定的指標(biāo),這由應(yīng)用的需求來定,比如系統(tǒng)里其他器件的供電為單電源5V,那么如果放大器也可以單電源供電,那么對電源的設(shè)計(jì)就會(huì)簡單;如果系統(tǒng)的輸入信號(hào)比較大,比如±10V,那么此時(shí)放大器供電[敏感詞]為±15V。


芯片廠家在設(shè)計(jì)放大器時(shí),電源范圍是多少,同樣也由應(yīng)用需求決定。芯片廠家會(huì)研發(fā)相應(yīng)的工藝來應(yīng)對不同的電源需求。


放大器這一類產(chǎn)品發(fā)展了幾十年,市場需要什么樣電源范圍的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品需要什么樣的工藝,基本已經(jīng)定型。


探索無止盡,未來還會(huì)陸續(xù)涌現(xiàn)新的市場需求,促使廠商來改善工藝,來做出產(chǎn)品滿足市場。


放大器電源分類


  • 低壓:[敏感詞]供電電源<6V

  • 中壓:[敏感詞]供電電源在10V~18V之間 

  • 高壓:[敏感詞]供電電源在24V~44V之間 

  • 超高壓:[敏感詞]供電電源>50V


閱讀數(shù)據(jù)手冊


要知道放大器的電源供電范圍,[敏感詞]的方法是查詢數(shù)據(jù)手冊——以器件ADA4077-2為例:

可以工作在+/-3.3V嗎?


根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可得Specifled  正負(fù)5V到正負(fù)15V,Opera-tes 正負(fù)2.5V 到正負(fù)15V,根據(jù)此參數(shù)進(jìn)行評估測量就能征得ADA4077-2能否可以工作在+/-3.3V。

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最小供電電壓是多少?

最小電源參考上圖,但僅供參考,無法保證。這張圖表中橫軸是供電電源,縱軸的是供電電流。對于不同的溫度,可以看到曲線的趨勢是基本一樣的,都是先上升,到一定階段之后就變平了。以- 40 度藍(lán)色的波形為例,該波形上升到大概可能 3.2 V 左右就開始變平。所以對于這個(gè)器件來講,在低溫工作時(shí),最小供電電壓大約為3.2 V,當(dāng)電源電壓更低時(shí)則無法正常工作。高溫的時(shí)候,最小的電源電壓可以更低。

[敏感詞]供電電壓是多少?

[敏感詞]參考下圖,absolute maximum ratings 描述了器件[敏感詞]的供電能超過36V。另外,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),需留有一定裕量,比如5%。

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02 單電源放大器什么叫單電源放大器?


在某些器件的數(shù)據(jù)手冊描述中,可以能看到Single Supply的字樣描述,說明該器件是單電源放大器。 

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單電源放大器定義為輸入可以到負(fù)電源軌道的放大器,可簡化電源設(shè)計(jì)。比如V+接5V,V-接地的情況下,+IN可以接0V到地。   


需要注意的是,不是所有的運(yùn)放都是單電源放大器,但所有的運(yùn)放都可以單電源供電工作,但要注意此時(shí)的輸入信號(hào)范圍和輸出信號(hào)范圍。



單電源放大器電路


單電源供電時(shí)的放大器電路往往需要特殊處理:為了使電路能調(diào)理正負(fù)信號(hào),放大器輸入需要加入偏置電壓。以下圖為例,直流偏置電路在同相輸入端(紅色區(qū)域),由+Vs通過兩個(gè)100k電阻得到Vs/2的直流偏置電壓,電容C2決定了低通截止頻率,當(dāng)C2為0.1uF時(shí),截止頻率為32Hz(1/(6.28*50k*0.1u)=32Hz),如果使用更大的電容可以濾出更多的噪聲,使得直流偏置信號(hào)更干凈,但更大的電容意外上電后,輸出需要更長的時(shí)間來穩(wěn)定到Vs/2。由于放大器電路也會(huì)對偏置進(jìn)行放大,因此在電路的下半增益部分加入了電容C1。反相放大電路(圖右)也可同理進(jìn)行分析。


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單電源供電缺點(diǎn)


  • 為實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍,需要選擇較貴的單電源運(yùn)放或是軌到軌運(yùn)放。

  • 直流偏置電路中的電阻會(huì)帶來額外的噪聲。 

  • 偏置電流流過直流偏置電阻會(huì)引入額外的直流電壓誤差。當(dāng)然可以在負(fù)輸入端加電阻來做平衡使得偏置電流的影響抵消,但有的運(yùn)放是無法抵消的,且增加的電阻會(huì)帶來噪聲。

  • 為了濾除噪聲加的大電容,使得直流偏置電路的時(shí)間常數(shù)很大,導(dǎo)致上電后輸出會(huì)緩慢爬升到Vs/2。


03 放大器供電怎么選

0V和-5V供電可以嗎?


以LTC2066為例,這是一個(gè)供電范圍為1.7V~5.25V的放大器,一般使用正負(fù) 2.5 伏供電,或者+5V和0V供電,那是否可以使用零伏和負(fù)五伏來提供給正電源和負(fù)電源管腳供電呢?


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上圖為LTC2066的簡單框圖,一般放大器是沒有配置地管腳的,這與很多其他類型的芯片是不一樣的。即使是單電源供電中-V接地,而非真正地有接地管腳。放大器就是這么定義的。它只需要知道待調(diào)理的信號(hào),或是調(diào)理完的信號(hào),與+V和-V供電電源有一定的相對關(guān)系,就能正確無誤地完成它的功能。(注意+V--V需要是正信號(hào),且在放大器允許的電源范圍內(nèi))通過LTspice進(jìn)行仿真,使用0V和-5V供電的情況下,可以發(fā)現(xiàn)該器件能夠正常工作,參數(shù)指標(biāo)沒有受到影響。


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在測試放大器參數(shù)指標(biāo)時(shí),一般是雙電源供電進(jìn)行測試。根據(jù)LTC2066芯片資料,其中Vs=5v,vcm=Vout=Vs/2,實(shí)際在測試時(shí),采用的是±2.5V供電,輸入共模信號(hào)為0V。放大器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)處在其允許范圍的最中間時(shí),表現(xiàn)是[敏感詞]的。


用0V和-5V供電給+V和-V時(shí),如果輸入共模信號(hào)為-2.5V那么此時(shí)的參數(shù)指標(biāo)可以參考上圖。此時(shí)輸出信號(hào)只能是負(fù)信號(hào),輸出只能是灌電流。



04 去耦電容去耦電容去掉行不行?


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大多數(shù)的芯片資料都會(huì)提到有關(guān)去耦電容的建議,不加去耦電容有可能電路能正常工作,但非常不建議。


一般情況下,可以用0.1uF的去耦電容,放在放大器電源管腳附近,電容一端接電源管腳,另一端就近接地,低容值電容的高頻特性較好,可以移除高頻噪聲避免進(jìn)入放大器。在電路位置不夠時(shí),可以用幾個(gè)放大器共用一個(gè)大電容。


在需要低頻去耦或是放大器輸出快速變化的大信號(hào)時(shí),需要大容值的電容(注意電容的額定電壓需要大于電源電壓)


上圖所示的電路中,存在寄生電感主要考量,比如LVs+為去耦電容的等效電感,Lp為電源芯片輸出到放大器供電管腳的電感。


儲(chǔ)能的角度說明電容去耦


只要電容足夠大,只需很小的電壓變化,電容就可以提供足夠大的電流,滿足負(fù)載瞬態(tài)電流需求,從而保證負(fù)載芯片電壓的變化在容許范圍內(nèi)。這里,電容預(yù)先存儲(chǔ)了一部分電能,在負(fù)載需要的時(shí)候釋放出來,此時(shí)電容擔(dān)負(fù)的是局部電源的角色。 


假設(shè)在低頻段,比如10kHz,低頻信號(hào)在電感上產(chǎn)生的感抗可以忽略,電容的ESL(寄生電感)可以近似等于0。當(dāng)負(fù)載瞬間(10kHz)需要大電流的時(shí)候,電容可以通過ESR向負(fù)載供電,供電的實(shí)時(shí)性很高,ESR只是消耗了一部分電量,但不影響供電的實(shí)時(shí)性。由于頻率比較低,放電時(shí)間比較長(頻率的倒數(shù)),所以電容的容量大一些,可以長時(shí)間放電。


同樣大的電容,假設(shè)負(fù)載突變的頻率較高(幾十MHz),那么當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)變化的時(shí)候ESL上形成的感抗不容忽視,這個(gè)感抗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢去阻止電容向負(fù)載供電負(fù)載實(shí)際獲得電流的瞬態(tài)性能比較差,電容電流無法供應(yīng)瞬間的電流突變。盡管電容容量很大,但由于ESL較大,此時(shí)的大容量儲(chǔ)能發(fā)揮不了作用。頻率較高,電容給負(fù)載供電的時(shí)間縮短(頻率的倒數(shù)),不需要電容有大的儲(chǔ)能要降低電容的ESL,選擇小封裝的小電容,另外走線對于高頻,關(guān)鍵的因素是ESL,長度引入的電感也會(huì)折算到ESL參數(shù)里,所以小電容一定要靠近pin。


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輸入為1V時(shí),有無去耦電容的波形影響



去耦電容選多大


既然去耦電容可以幫助輸出波形更加平整,在電路中必不可少,那么如何選取容值呢?可以從阻抗的角度來理解電容去耦,其中C1為去耦電容:


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從AB兩點(diǎn)向左看過去,穩(wěn)壓電源以及去耦電容一起,可以看成一個(gè)復(fù)合的電源系統(tǒng)。理想情況下,不論AB兩點(diǎn)間負(fù)載需要的瞬態(tài)電流如何變化,電源都可以保證AB兩點(diǎn)間電壓保持穩(wěn)定。這就要求電源系統(tǒng)的輸出阻抗Z要足夠低。通過去耦電容可以達(dá)到這一要求,可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。從電路原理的角度來說,可得到同樣結(jié)論。電容對于交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗特性,因此加入電容,實(shí)際上也確實(shí)降低了電源系統(tǒng)的交流阻抗。


同理,也可以根據(jù)目標(biāo)阻抗計(jì)算電容量,以該電路為例:要去耦的電源為40V,容許電壓波動(dòng)0.05%,瞬態(tài)電流500mA


目標(biāo)阻抗Zx=40V*0.0005/0.5=0.04

假設(shè)負(fù)載頻率是1MHz


4uF電容阻抗=0.040(C=1/(6.28*1M*0.04)=4uF)

負(fù)載頻率處于電容自諧振點(diǎn)以上時(shí)

電容阻抗由ESL決定


假設(shè)ESL為1nH去耦電容的[敏感詞]有效頻率

0.04/(6.28*1n)=5.3MHz

負(fù)載頻率降低時(shí),需要的去耦電容容值更大


根據(jù)以上計(jì)算??傻秒娙葑钚∫?uF,才能保證低阻抗,并且ESL要小,ESL直接影響去耦電容的[敏感詞]有效頻率。


需要注意的是,以上內(nèi)容均為理論計(jì)算,實(shí)際應(yīng)用中還需要驗(yàn)證實(shí)測以獲得[敏感詞]選值。


05 DC-DC還是LDO?

如果要選DC-DC


電源芯片有很多指標(biāo),從影響放大器性能的角度看,DC-DC的開關(guān)頻率紋波及噪聲指標(biāo)比LDO都要差很多(100kHz~2MHz開關(guān)頻率,200mVpp最差紋波)


一般來說,在對精度或噪聲有要求的場合,建議用LDO來為放大器供電。


如果傾向于DC-DC電源的其他諸多優(yōu)點(diǎn),那么可以由開關(guān)頻率紋波幅度,噪聲水平,再結(jié)合選定放大器的電源抑制比PSRR+和PSRR-,來簡單分析電源波動(dòng)時(shí)對放大器輸出(輸入)的影響,是否在容忍范圍內(nèi)。最后盡量進(jìn)行一次實(shí)測,以判斷DC-DC電源是否會(huì)對放大器產(chǎn)生影響。


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PSRR定義為電源波動(dòng)時(shí)對放大器輸出(輸入)的影響,△Vio為輸出的變化,△Vs為電源的波動(dòng)。理想情況下,△Vs不會(huì)對△Vio產(chǎn)生影響。


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以上圖所示的PSRR圖表所示,可以看到開關(guān)頻率在100kHz的情況下,PSRR約為40dB,如果電源紋波為100mV,根據(jù)公式就可以計(jì)算出輸出紋波為1mV。


在某些應(yīng)用中,既要求[敏感詞]性能,又得考慮電源效率(DC-DC電源更好),需要實(shí)測來驗(yàn)證。


下面左圖是用很好的DC-DC電源為放大器供電,測得的THD+N,右圖是LDO供電的THD+N,THD+N相差4.4個(gè)dB。

 

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可得出結(jié)論為DC-DC電源表現(xiàn)不錯(cuò),但比LDO還是差一點(diǎn),需要按照實(shí)際的需求選擇供電的方式。

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