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超详细,22节内容!ADI工程师,带您学习放大器电源

发布时间:2022-05-25作者来源:电源研发联盟浏览:752


放大器是构筑模电大厦最基础的砖石,它是一种有源器件,需要供电才能工作,电源的不同选择和设置也会对放大器参数性能产生影响,因此,不管您是已入职场的设计人员,还是在正在学习电路设计的学生,都应该对放大器电源有更多的了解。

01 电源电压范围


电压范围由什么决定?


选择一个放大器的时候,电源范围是首先要确定的指标,这由应用的需求来定,比如系统里其他器件的供电为单电源5V,那么如果放大器也可以单电源供电,那么对电源的设计就会简单;如果系统的输入信号比较大,比如±10V,那么此时放大器供电[敏感词]为±15V。


芯片厂家在设计放大器时,电源范围是多少,同样也由应用需求决定。芯片厂家会研发相应的工艺来应对不同的电源需求。


放大器这一类产品发展了几十年,市场需要什么样电源范围的产品,这些产品需要什么样的工艺,基本已经定型。


探索无止尽,未来还会陆续涌现新的市场需求,促使厂商来改善工艺,来做出产品满足市场。


放大器电源分类


  • 低压:[敏感词]供电电源<6V

  • 中压:[敏感词]供电电源在10V~18V之间 

  • 高压:[敏感词]供电电源在24V~44V之间 

  • 超高压:[敏感词]供电电源>50V


阅读数据手册


要知道放大器的电源供电范围,[敏感词]的方法是查询数据手册——以器件ADA4077-2为例:

可以工作在+/-3.3V吗?


根据数据手册可得Specifled  正负5V到正负15V,Opera-tes 正负2.5V 到正负15V,根据此参数进行评估测量就能征得ADA4077-2能否可以工作在+/-3.3V。

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最小供电电压是多少?

最小电源参考上图,但仅供参考,无法保证。这张图表中横轴是供电电源,纵轴的是供电电流。对于不同的温度,可以看到曲线的趋势是基本一样的,都是先上升,到一定阶段之后就变平了。以- 40 度蓝色的波形为例,该波形上升到大概可能 3.2 V 左右就开始变平。所以对于这个器件来讲,在低温工作时,最小供电电压大约为3.2 V,当电源电压更低时则无法正常工作。高温的时候,最小的电源电压可以更低。

[敏感词]供电电压是多少?

[敏感词]参考下图,absolute maximum ratings 描述了器件[敏感词]的供电能超过36V。另外,实际设计时,需留有一定裕量,比如5%。

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02 单电源放大器什么叫单电源放大器?


在某些器件的数据手册描述中,可以能看到Single Supply的字样描述,说明该器件是单电源放大器。 

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单电源放大器定义为输入可以到负电源轨道的放大器,可简化电源设计。比如V+接5V,V-接地的情况下,+IN可以接0V到地。   


需要注意的是,不是所有的运放都是单电源放大器,但所有的运放都可以单电源供电工作,但要注意此时的输入信号范围和输出信号范围。



单电源放大器电路


单电源供电时的放大器电路往往需要特殊处理:为了使电路能调理正负信号,放大器输入需要加入偏置电压。以下图为例,直流偏置电路在同相输入端(红色区域),由+Vs通过两个100k电阻得到Vs/2的直流偏置电压,电容C2决定了低通截止频率,当C2为0.1uF时,截止频率为32Hz(1/(6.28*50k*0.1u)=32Hz),如果使用更大的电容可以滤出更多的噪声,使得直流偏置信号更干净,但更大的电容意外上电后,输出需要更长的时间来稳定到Vs/2。由于放大器电路也会对偏置进行放大,因此在电路的下半增益部分加入了电容C1。反相放大电路(图右)也可同理进行分析。


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单电源供电缺点


  • 为实现更大的动态范围,需要选择较贵的单电源运放或是轨到轨运放。

  • 直流偏置电路中的电阻会带来额外的噪声。 

  • 偏置电流流过直流偏置电阻会引入额外的直流电压误差。当然可以在负输入端加电阻来做平衡使得偏置电流的影响抵消,但有的运放是无法抵消的,且增加的电阻会带来噪声。

  • 为了滤除噪声加的大电容,使得直流偏置电路的时间常数很大,导致上电后输出会缓慢爬升到Vs/2。


03 放大器供电怎么选

0V和-5V供电可以吗?


以LTC2066为例,这是一个供电范围为1.7V~5.25V的放大器,一般使用正负 2.5 伏供电,或者+5V和0V供电,那是否可以使用零伏和负五伏来提供给正电源和负电源管脚供电呢?


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上图为LTC2066的简单框图,一般放大器是没有配置地管脚的,这与很多其他类型的芯片是不一样的。即使是单电源供电中-V接地,而非真正地有接地管脚。放大器就是这么定义的。它只需要知道待调理的信号,或是调理完的信号,与+V和-V供电电源有一定的相对关系,就能正确无误地完成它的功能。(注意+V--V需要是正信号,且在放大器允许的电源范围内)通过LTspice进行仿真,使用0V和-5V供电的情况下,可以发现该器件能够正常工作,参数指标没有受到影响。


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在测试放大器参数指标时,一般是双电源供电进行测试。根据LTC2066芯片资料,其中Vs=5v,vcm=Vout=Vs/2,实际在测试时,采用的是±2.5V供电,输入共模信号为0V。放大器输入信号和输出信号处在其允许范围的最中间时,表现是[敏感词]的。


用0V和-5V供电给+V和-V时,如果输入共模信号为-2.5V那么此时的参数指标可以参考上图。此时输出信号只能是负信号,输出只能是灌电流。



04 去耦电容去耦电容去掉行不行?


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大多数的芯片资料都会提到有关去耦电容的建议,不加去耦电容有可能电路能正常工作,但非常不建议。


一般情况下,可以用0.1uF的去耦电容,放在放大器电源管脚附近,电容一端接电源管脚,另一端就近接地,低容值电容的高频特性较好,可以移除高频噪声避免进入放大器。在电路位置不够时,可以用几个放大器共用一个大电容。


在需要低频去耦或是放大器输出快速变化的大信号时,需要大容值的电容(注意电容的额定电压需要大于电源电压)


上图所示的电路中,存在寄生电感主要考量,比如LVs+为去耦电容的等效电感,Lp为电源芯片输出到放大器供电管脚的电感。


储能的角度说明电容去耦


只要电容足够大,只需很小的电压变化,电容就可以提供足够大的电流,满足负载瞬态电流需求,从而保证负载芯片电压的变化在容许范围内。这里,电容预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,此时电容担负的是局部电源的角色。 


假设在低频段,比如10kHz,低频信号在电感上产生的感抗可以忽略,电容的ESL(寄生电感)可以近似等于0。当负载瞬间(10kHz)需要大电流的时候,电容可以通过ESR向负载供电,供电的实时性很高,ESR只是消耗了一部分电量,但不影响供电的实时性。由于频率比较低,放电时间比较长(频率的倒数),所以电容的容量大一些,可以长时间放电。


同样大的电容,假设负载突变的频率较高(几十MHz),那么当负载瞬态变化的时候ESL上形成的感抗不容忽视,这个感抗会产生一个反向电动势去阻止电容向负载供电负载实际获得电流的瞬态性能比较差,电容电流无法供应瞬间的电流突变。尽管电容容量很大,但由于ESL较大,此时的大容量储能发挥不了作用。频率较高,电容给负载供电的时间缩短(频率的倒数),不需要电容有大的储能要降低电容的ESL,选择小封装的小电容,另外走线对于高频,关键的因素是ESL,长度引入的电感也会折算到ESL参数里,所以小电容一定要靠近pin。


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输入为1V时,有无去耦电容的波形影响



去耦电容选多大


既然去耦电容可以帮助输出波形更加平整,在电路中必不可少,那么如何选取容值呢?可以从阻抗的角度来理解电容去耦,其中C1为去耦电容:


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从AB两点向左看过去,稳压电源以及去耦电容一起,可以看成一个复合的电源系统。理想情况下,不论AB两点间负载需要的瞬态电流如何变化,电源都可以保证AB两点间电压保持稳定。这就要求电源系统的输出阻抗Z要足够低。通过去耦电容可以达到这一要求,可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。从电路原理的角度来说,可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性,因此加入电容,实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。


同理,也可以根据目标阻抗计算电容量,以该电路为例:要去耦的电源为40V,容许电压波动0.05%,瞬态电流500mA


目标阻抗Zx=40V*0.0005/0.5=0.04

假设负载频率是1MHz


4uF电容阻抗=0.040(C=1/(6.28*1M*0.04)=4uF)

负载频率处于电容自谐振点以上时

电容阻抗由ESL决定


假设ESL为1nH去耦电容的[敏感词]有效频率

0.04/(6.28*1n)=5.3MHz

负载频率降低时,需要的去耦电容容值更大


根据以上计算。可得电容最小要4uF,才能保证低阻抗,并且ESL要小,ESL直接影响去耦电容的[敏感词]有效频率。


需要注意的是,以上内容均为理论计算,实际应用中还需要验证实测以获得[敏感词]选值。


05 DC-DC还是LDO?

如果要选DC-DC


电源芯片有很多指标,从影响放大器性能的角度看,DC-DC的开关频率纹波及噪声指标比LDO都要差很多(100kHz~2MHz开关频率,200mVpp最差纹波)


一般来说,在对精度或噪声有要求的场合,建议用LDO来为放大器供电。


如果倾向于DC-DC电源的其他诸多优点,那么可以由开关频率纹波幅度,噪声水平,再结合选定放大器的电源抑制比PSRR+和PSRR-,来简单分析电源波动时对放大器输出(输入)的影响,是否在容忍范围内。最后尽量进行一次实测,以判断DC-DC电源是否会对放大器产生影响。


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PSRR定义为电源波动时对放大器输出(输入)的影响,△Vio为输出的变化,△Vs为电源的波动。理想情况下,△Vs不会对△Vio产生影响。


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以上图所示的PSRR图表所示,可以看到开关频率在100kHz的情况下,PSRR约为40dB,如果电源纹波为100mV,根据公式就可以计算出输出纹波为1mV。


在某些应用中,既要求[敏感词]性能,又得考虑电源效率(DC-DC电源更好),需要实测来验证。


下面左图是用很好的DC-DC电源为放大器供电,测得的THD+N,右图是LDO供电的THD+N,THD+N相差4.4个dB。

 

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可得出结论为DC-DC电源表现不错,但比LDO还是差一点,需要按照实际的需求选择供电的方式。

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