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PSRR增强电路

PSRR增强电路

 

PSRR 是 Power supply rejection ratio的首字母缩写,即为电源抑制比;在电子系统中,电源抑制比也称为电源电压抑制比,是一个广泛用于描述电子电路抑制其任何的电源变化对输出信号影响的能力的术语。

为什么 PSRR 很重要? 由于大大小小的电子设计对电源效率的需求不断增加,电源抑制比 (PSRR) 一直在变得越来越重要。 它衡量在输入电平注入了多少干扰信号,反过来其又会影响稳压输出。

PSRR是如何计算的? PSRR 可以通过对电源电压施加正弦纹波并测量从稳压器的输入到输出的增益来测量。 需要一个线路注入变压器,例如 Picotest 的 J2120A,以确保注入的信号是隔离的并且不会引起任何直流偏置。

如何提高带隙的 PSRR? 提高 PSRR 的传统解决方案是以芯片面积和功耗为代价的,例如额外的放大器、长沟道晶体管、共源共栅结构、额外的增益级等。

较大的电容器 (COUT) 会导致 PSRR 在相对较低的频率下再次增加,因为它提供较低的电容阻抗(即较大的 COUT)。 因此,大输出电容器有助于在高频下保持高 PSRR。

增加负载电流也会将输出极点推到更高的频率,从而增加反馈环路带宽。 因此,增加负载的净效应是降低较低频率下的 PSRR(因为增益降低)以及较高频率下的 PSRR 增加。

 

  1. 带隙基准电路原理:

我们再将本章第一节的有关带隙基准电路原理的部分内容拷在下面:

对于恒定电流,二极管连接的晶体管两端电压VBE随温度升高呈线性下降,斜率系数为 λ ,其值约为−2mV/°C。如果我们现在找到一种方法来向这个二极管电压VBE添加一个电压VC,它具有相同斜率 λ,与绝对温度成正比 ( Proportional To the Absolute Temperature, PTAT ),那么我们就得到一个与温度无关的基准电压 Vref,此外我们发现这个基准电压就是带隙电压本身,它有一个很高的绝对精度!

由于VBE和VC的相似,基准电压将在1.2V左右。由于很难预测实际电压VBE,我们需要调节添加的电压VC,使基准电压在基准温度Tr  ( 一般是室温 27°)  附近恒定;这就是说我们需要调节增加的电压VC,使曲率相对于基准温度 Tr 是对称的。

图 1     带隙基准电路的原理

 

PSRR增强电路

图 2     带隙基准电路曲率相对于基准温度 Tr (一般是室温 27°或300K) 是对称的

 

其对应电流,电压的公式如下:

 

2.  带隙基准电路PSRR 的影响因素

如果电源噪声没有得到很好的抑制,不同频率的噪声会干扰带隙基准电路,电源上的噪声将作为输入信号传播到下一级,因此噪声将对整个电路系统的性能有很大影响。

前置稳压器结构可以使电源噪声显着衰减,然后衰减后的电压在这里作为带隙基准电路的电源。 总电源电压 PSRR 是两部分电路的乘积,因此大大提高了整个系统的PSRR。

图 3     带隙基准电路 PSRR 的影响因素

 

首先,计算带隙基准的电源电压抑制比。 假设VDD中的干扰量适用于带隙基准电路,变化量为ΔVDDL,则图2转入图3。 电路中采用PMOS输入差分放大器,是因为如果合理设计宽长比,可以有效中和来自电源的干扰,所以在接下来的计算工作中忽略了放大器电源变化的影响。

假设带隙基准电路的电源中的干扰量为ΔVDDL,包括R1,rQ1和R2,R3,rQ2的支路中噪声电流为Δi,如下式(4),(5) , (6) 和 (7) 得到,

理想情况下,电源的变化不会引起晶体管电流的变化,但由于沟道长度调制效应,电源VDDL的变化ΔVDDL会导致电流的变化Δi2。 PMOS中的总电流变化可以通过计算放大器中正负输入电流Δi2的总和及Δi1的总和来计算,如下所示:

其中:

因此:

假设:

因此有:

从上式可以得到,放大器增益AV增大,Q3的gmQ3 增大,M1的rds 增大,使整个电路的PSRR变大。

 

3.  前置稳压器结构的 PSRR:

电源前置稳压器如图4(a)所示。通过带隙基准电路产生PTAT电压,通过M7的源电压固定在VREF-VGS7,如图4(a)所示。VDDL几乎独立于电源电压,因为VREF是一个恒定值。接下来推导出电源前置稳压器电路的PSRR,

图4        a. 前置稳压器                                                                           b. 前置稳压器原理分析图

从图4(b) 中可以得到:

计算电源微小变化引起的电流变化ΔIout,M2栅源极中的小信号电压变化为-ΔIoutRm2,通过ro3的电流为:

因此:

m4中的等效跨导率可以表示为:

因此:

其中:

假设M7的总输出阻抗为Rm7,则可以得到:

从上述方程中可以看出,PSRR是由r03 决定的,这说明如果r03 趋近于无穷大,则ΔVDDL将独立于ΔVDD,也就是电源电压的变化对带隙基准电路输出没有影响, 当然这是一种理想的情况,r03 不可能趋近于无穷大,实际带隙基准电路设计中,尽量提高 r03

 

Posted in CMOS模拟集成电路