高电源抑制比、低噪声电源的研究与设计

钱焕裕，周叶华，叶宝盛

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314000)

高电源抑制比、低噪声电源的研究与设计

钱焕裕，周叶华，叶宝盛

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314000)

随着无线电技术的迅猛发展，系统中的模拟电路对供电电源的电源抑制比、噪声等指标提出了越来越苛刻的要求。介绍了一种由独立器件搭建的电源系统。通过合理地选择运算放大器，精心设计电源反馈环路与滤波电路，可以使电源噪声得到优化，电源抑制比频响特性可调，使电源性能表现得更加优越，适应系统的要求。

电源；稳定性；噪声；电源抑制比

0 引 言

电源设计是电子系统设计的关键环节。随着无线电技术的迅猛发展，无论是通信技术领域还是无线电测试测量等其他一些相关领域，都对模拟电路电源系统的电源抑制比、噪声等指标提出了越来越苛刻的要求。任何通过外部电源线引入到系统的不需要的信号以及电源系统自身的噪声，都可能成为无线电系统不稳定以及产生干扰的潜在因素[1]。为了适应不断提高的系统要求，无线电系统中的电源作为外部电源和系统供电之间的转换与隔离，必须在电源抑制比(PSRR)、噪声等性能指标方面表现得更加优秀[2]。

对于常见的电源系统而言(如图1)，需要1个或多个电压相对较高的外电源输入。为了提高电源供电效率，需要先利用DC-DC开关变换器将这个外电压变换到略高于实际需要的电压，再通过线性稳压器(LDO)进行滤波、降噪处理。相对简单的也可以将外部电源直接输入线性稳压器处理。按照传统方法，常常采用单片集成线性稳压器。这样虽然可以节约设计成本与设计空间，但是当电源要求较高时会产生一些问题[3]。

单片集成线性稳压器涉及到环路稳定性、噪声性能、瞬态响应、最大输出电流、电源抑制比等诸多指标。一般通用性的稳压器芯片往往在这些指标之间进行折衷，尤其是在输出电压、带负载能力与输出电压噪声、电源抑制比以及瞬态响应之间，设计需要做指标权衡，所以无法很好地满足高性能电路系统的特殊要求。而一些在某一个或几个指标上表现突出的稳压器芯片又无法根据实际的电磁环境、电路环境对相关指标的频率响应特性进行进一步优化。所以，在指标条件比较苛刻时，往往很难选到符合条件的芯片。或者，在调试过程中发现电源问题，却无法对电源本身进行适当调整。

因此，采用单片集成线性稳压器的方法很难在一些特殊要求下满足系统要求。本文将介绍一种由独立器件搭建的线性稳压器电路构建电源系统。通过合理地选择运算放大器，精心设计电源反馈环路与滤波电路，可以使电源噪声得到优化，电源抑制比频响特性可调，使电源性能表现得更加优越，适应更加苛刻的系统要求。

1 设计原理

本文论述的电源电路框图如图2所示，电源包括DC-DC开关变换器以及由运算放大器、低噪参考电压源、功率调整管、反馈环路组成的线性稳压器两大部分组成。本文将以输入12 V，输出5 V、1 A的电源为例，对电路原理以及关注的指标进行论述说明。

电路首先利用DC-DC开关变换器将外部输入电压变换为适合运算放大器、带隙基准源和调整管正常工作的电压，这样不仅可以简化外部输入电源，同时可以降低线性稳压器的压差，提高电源效率。开关电源的带负载能力应根据电源负载的实际需求和开关效率确定。

线性稳压器电路使用独立元件搭建，并使用双反馈电路结构，调整管既增大了电路驱动能力，也利用自身的高电流增益对2个反馈环路进行了隔离，调整管必须始终工作在饱和区，使之具有较大的电流增益与较小的漏源电阻。调整管选型，可根据负载电流需求、源漏电流、电流增益等要求进行确定。调整管的输出电压通过反馈环路1反馈给运算放大器以保证输出电压的直流精度；通过反馈回路2将运算放大器输出反馈到其负输入端，对电路进行零极点补偿，保证环路稳定性。

对于运算放大器，首先应选择单电源、轨对轨运算放大器来减少电源种类以及满足运放输出范围要求,其次还应该选择低噪声、精密运算放大器，精密运放较高的开环增益与电源抑制比可提高输出电压精度和电路电源抑制比；降低运放自身的噪声有利于降低输出电源的噪声。

2 直流增益与稳定性分析

本电源的稳定性包括DC-DC开关变换器的稳定性以及线性稳压器的稳定性。由于电源输出功率不高，可使用单片集成Buck、Boost变换器实现，稳定性有保证，且对最终电源性能指标没有影响，这里不再赘述。下面对线性稳压器的稳定性进行设计论述。

分析环路的稳定性需要分析环路的开环增益。图3给出了图2所示电源中线性稳压器部分的控制环路模型框图。其中Aap为运放的开环增益，反馈环路1即为运放反向端的反馈电容，设其反馈函数为β1，调整管和阻容网络共同组成了运放的反馈环路2，设其反馈函数分别为β21、β22。最终的输出电压在调整管之后。

因为输出作为直流电源，所以必须考虑直流电压增益，保证直流电压精度。考虑直流传输函数时，电容近似开路，因此反馈环路1可忽略。直流输入输出传递函数为：

(1)

选择的精密运放，直流开环增益一般都在百万以上，Aap趋于无穷时的近似：

(2)

可以看出，输出电压的大小取决于阻容网络的反馈函数β22，而输出电压的精度误差则由运放的开环增益决定。

分析环路稳定性需要考虑多环路反馈，为分析方便又不失去正确性，将输出取自放大器之后更为简便、合理。由此可以得到环路开环增益方程：

Aol=Aap·(β21·β22+β1)

(3)

考虑到Aap可以直接由运放的数据手册得到，只需计算反馈函数，即反馈环路1的函数β1与反馈环路2的反馈β21·β22。图4给出了Aap、1/β1、1/(β21β22)以及开环函数相位的放置曲线。由于2个反馈环路是和关系，所以取决于较小值。反馈环路2中R1和C1在约60 Hz处引入零点，使反馈增益略有提高，在约8 kHz处的极点则是由于调整管的寄生电容产生的。反馈环路1理想曲线应有20 dB/Decade的斜率，由于输入滤波电容的影响使在100 Hz以下变平坦，但是此时反馈增益明显大于环路2，故对环路开环增益并没有影响。

从图中可以看出，开环增益的单位增益频率约6 MHz，此时的穿越斜率接近40 dB/Decade，相位裕度约为70°。之所以能有足够相位裕度，是因为反馈环路1、反馈环路2在约100 kHz处引入的零点。由于该零点距离Aap的第2个极点较远，使相位又返还到-90°。通过图4可以判定，在单位增益下的相位裕度为60°，所以图2所示的线性稳压器是稳定的。

3 电源抑制比与噪声仿真分析

3.1 噪声仿真分析

线性稳压器的噪声源分为两大类：内部噪声源和外部噪声源。外部噪声来源于线性稳压器的输入端，这一部分的仿真分析将在后面的电源抑制比中论述。

线性稳压器的内部噪声主要来源于参考电压源、运算放大器以及反馈环路中电阻的热噪声。首先，运算放大器的噪声可等效为1个输入噪声，这部分输出噪声等于等效输入噪声乘以噪声增益。运放反馈环路中电阻的热噪声，也会通过环路被噪声增益放大，因此对于这两部分噪声，减小噪声增益成为关键。环路噪声增益为：

(4)

从式中可以看出看出阻容反馈网络中的R1和C1引入了极点，在保证直流增益的同时，在较高频率处使噪声增益迅速降至单位增益。图5给出了仿真曲线，从图中可以看出，R1和C1引入的低频极点使噪声曲线继续下降，从100～100 kHz频段内噪声得到明显改善。

参考电压源引入的噪声则由环路的闭环频率相应决定，仿真结果由图6给出。图6中，10 Hz以下的极点是由R3、C2引入，而约40 kHz处的极点则是运放闭环环路的环路带宽。为了使环路稳定，额外加入了反馈环路1，但同时牺牲了闭环带宽，此频率与反馈环路1的高频极点频率是一致的。采用分立元件搭建电路，参考电压源也是现有的芯片，闭环环路的极点位置可以根据参考电压源的数据手册给出的噪声密度曲线进行适当调整，使之最优化。另外，为了得到更优的噪声性能，可以选择参考电压源输出电压高于线性稳压器输出电压的参考电压源，这样不仅可以直接将噪声增益设置成单位增益，还可以通过输入阻容网络的分压、滤波减低参考电压源的噪声。

3.2 电源抑制比仿真分析

线性稳压器的电源抑制比(PSRR)是衡量电路抑制电源输入端出现的外来噪声与纹波，使这些干扰信号不至于破坏电路输出的能力。其定义为：

(5)

式中：RPSRR为电源抑制比的大小。

理论上，对于运算放大器和调整管组成的环路而言，RPSRR曲线主要由两大部分组成，即开环增益区和输出电容滤波区。频率较低处开环增益高，且与直流开环增益相等，所以RPSRR较大，且是一条直线。随着频率增加，开环增益逐渐减小，RPSRR开始变小，最后在输出电容的作用下开始下降。图7和图8给出了本文论述方案的RPSRR仿真曲线以及曲线随反馈环路1电容与反馈环路2电容的变化关系。

从图7中可以看出，随着反馈环路2中C1的增大，第1个谷点频率变小，且RPSRR略有减小，因此可以针对开关频率调节C1的容值，使之达到最优，而从噪声分析来看，C1的变化会改变噪声曲线极点位置，改变噪声增益回到单位增益的速度，因此需要权衡考虑。对于反馈环路1的电容C，从图8中可以看出，随着电容C的减小，频率较高处RPSRR明显增大，但需要考虑的是，C的减小会影响环路的稳定性以及图6中曲线第2个极点的位置。

综合图7和图8，对比现有常见单片集成LDO的PSRR曲线，可以发现本文论述方案的优点在于低端的PSRR相对较低，在频率较高处，虽然PSRR随着开环增益降低而降低，但输出电容的极点较低，使之略有降低又开始增大，依然保持在-60 dB以下。指标明显优于现有常见单片集成LDO。

4 结束语

在工程设计中，面对系统中多样的电源需求，一般都通过DC-DC变化器与线性稳压器配合的方案进行电源变换滤波。由于高性能模拟电路对噪声指标的要求，线性稳压器的噪声和电源抑制比需要达到更高要求且可以针对特定电磁环境进行调整。

本文论述方案通过独立元件搭建的电路，从设计原理出发，对环路稳定性、噪声、PSRR进行了详细的论述。不难看出，通过合理的器件选择，可以在噪声和电源抑制比方面表现出优越的性能，而且可以权衡指标之间的相互关系，对电路频响特性进行优化，使之更加符合电路实际需求。

[1] 许聪.高PSRR低功耗LDO设计[D].上海:复旦大学，2012.

[2] 宋慧杰.无输出电容快速响应LDO的设计[D].上海:上海交通大学，2009.

[3] 来新泉,解建章，杜鹏程.利用动态密勒补偿电路解决LDO的稳定性问题[J].固体电子学研究与进展，2005(3):385-390.

StudyandDesignofPowerSupplywithHighPSRRandLowNoise

QIAN Huan-yu,ZHOU Ye-hua,YE Bao-sheng

(No.36 Research Institute of CETC，Jiaxing 314033，China)

With the development of radio technology,the analog circuit in system puts forward more and more stringent requirements to the indexes such as power supply rejection ratio (PSRR),noise,etc..This paper introduces a kind of power supply system built by independent devices,through the reasonable selection of operational amplifier and elaborate design of power supply feedback loop and filter circuit,the noise performance of power supply is optimized and the PSRR frequency response characteristics can be adjusted,which make the performance of power supply system more superior to meet the demand of the system.

power supply；stability；noise；PSRR

TN86

：A

：CN32-1413(2017)04-0087-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.022

2016-11-30