PSRR - współczynnik odrzucenia wpływu zasilania

PSRR - współczynnik odrzucenia wpływu zasilania

PSRR to jeden z parametrów układów analogowych, który często nie jest poprawnie rozumiany, a przez to uwzględniany w doborze elementów. Jedni powiedzą, że w dobie niskoszumnych LDO i cichych przetwornic DC/DC nie jest to istotne. Inni słusznie zauważą, że elektronika zawsze goni za dalszą minimalizacją szumu, jakkolwiek niski by on był…

Układy elektronicznie nie działają w próżni - są ze sobą połączone i tworzą całe systemy. Z tego powodu nie można ich analizować niezależnie. Zasadnicza większość scalonych elementów analogowych, takich jak np. wzmacniacze operacyjne, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i cyfrowo-analogowe (DAC), zasilana jest prądem stałym (DC). Jednak w rzeczywistym świecie, w każdym napięciu zasilającym DC znajduje się jakaś składowa zmienna, pochodząca z tętnień napięcia zasilającego, szumu itd. Te składowe przenikają - jako zakłócenia - do sygnałów, które są przetwarzane w danym elemencie.

Na skutek tego pogarszają się parametry toru sygnałowego, w szczególności spada stosunek sygnału do szumu (SNR). O tym, jak dużo (bądź jak mało) zakłóceń z zasilania przenika do sygnału, mówi tzw. współczynnik odrzucenia wpływu zasilania (power supply rejection rate - PSRR).

Definicja PSRR

Co do zasady, PSRR definiuje się jako stosunek zmiany w napięciu wyjściowym, powodowany przez zmianę napięcia w napięciu zasilania:

(1)

gdzie VCC to napięcie zasilania, a Vout to napięcie wyjściowe.

Schematycznie zaprezentowano te napięcia na rysunku 1. Nie istnieją żadne ścisłe branżowe normy, które mówią, jak dokładnie obliczany jest ten parametr, dlatego też różni producenci mogą wyznaczać ten parametr w nieznacznie inny sposób. Różne są też sposoby jego obliczania dla różnych elementów. Wszystko to stanowczo nie ułatwia korzystania z PSRR przy analizie układu…

Rysunek 1. Uproszczony schemat, pokazujący znaczenie PSRR w układzie

Najpopularniejsza definicja PSRR pozwala podać ten parametr w decybelach:

 (2)

gdzie AV to wzmocnienie (napięciowe) dla danego elementu.

Ponieważ PSRR można zmierzyć w różnych warunkach, producenci nie uwzględniają wszystkich warunków w swoich kartach danych produktów. Jako przykład takiego pomiaru omówimy metodę pomiarową, którą producent układu MAX38902A/B (firma Maxim Integrated, obecnie wykupiona przez Analog Devices) stosuje do pomiaru PSRR dla tego stabilizatora. Pomiary realizowane są przy użyciu wektorowego analizatora obwodów Bode 100 firmy OMICRON. Układ w czasie pomiaru znajduje się na płytce ewaluacyjnej, jak pokazano na fotografii tytułowej. Oprócz płytki deweloperskiej z badanym układem oraz wektorowego analizatora obrazów potrzebny jest wzmacniacz mocy zdolny do pracy z prądem wyjściowym o wartości co najmniej 2 A oraz specjalny transformator do wstrzykiwania składowej zmiennej do sygnału DC.

Rysunek 2. Schemat blokowy układu pomiarowego

Schemat blokowy układu pomiarowego pokazano na rysunku 2. Dla zmniejszenia szumów w systemie, tam gdzie możliwe, pominięto przewody i połączono ze sobą poszczególne elementy bezpośrednio. Aby zapewnić prawidłowe połączenie Bode 100 z modułem MAX38902 EV, należy otworzyć aplikację Bode Analyzer Suite (BAS) i skonfigurować analizator do pracy w trybie przemiatania częstotliwości w zakresie od 100 Hz do 10 MHz z logarytmiczną inkrementacją częstotliwości. Oznacza to co najmniej 401 punktów pomiarowych. Pasmo odbiornika ustawiane jest na 30 Hz, a oba jego tłumiki na 20 dB. Poziom źródła ustawiany jest na -10 dBm. Ten ostatni parametr można zmienić, monitorując napięcie wejściowe do modułu. Zmierzony przebieg z wzmacniacza powinien wykazywać napięcie międzyszczytowe na poziomie od 50 mV do 100 mV. Jeśli od tego odbiega, należy zmodyfikować poziom źródła, aby sprowadzić to napięcie do pożądanego poziomu.

Rysunek 3. Konfiguracja kanałów analizatora obwodów do pomiaru PSRR

Konfiguracja kanałów i trybu pomiarowego analizatora pokazana jest na rysunku 3. Wystarczy przejść do trybu pomiaru impedancji/odbicia sygnału i ustawić przełącznik CH2 w pozycji ON. Ten kanał używany jest tylko do pomiaru VIN lub VOUT w danym momencie.

Teraz można rozpocząć pomiar od przemiatania częstotliwości w trybie pojedynczego przemiatania. Najpierw przemiatane jest VIN, przy podłączeniu złącza BNC MAX38902 do kanału CH2 Bode 100. Po zakończeniu należy zapisać wynik. Ten krok powtarzany jest dla VOUT. Pozwala to na pomiar szumu obu napięć, aby go od siebie odjąć; np. w arkuszu kalkulacyjnym od VOUT odejmujemy VIN i otrzymujemy w wyniku działania współczynnik PSRR w funkcji częstotliwości. Przykład takiego przebiegu dla wspominanego tutaj urządzenia pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Przykładowy przebieg PSRR w funkcji częstotliwości dla układu MAX38902

Układy analogowe i PSRR

W przypadku różnych układów analogowych PSRR będzie miało odmienny wpływ na jakość sygnałów w systemie. Przyjrzyjmy się kilku klasom układów analogowych, gdzie PSRR ma często wpływ na działanie systemu.

Stabilizatory LDO

PSRR to stosunek między dwiema funkcjami przejścia:

  • funkcją przejścia z węzła zasilającego do wyjścia, tj. (Azasil(ω)),
  • funkcją przenoszenia węzła wejściowego do węzła wyjściowego A(ω). A(ω) jest również nazywany funkcją przenoszenia w otwartej pętli.

(3)

Z powyższego równania wynika, że PSRR jest proporcjonalne do A(ω) i odwrotnie proporcjonalne do Azasil(ω). W rezultacie, jeśli Azasil(ω) maleje, a wzmocnienie A(ω) w otwartej pętli wzrasta, to PSRR wzrośnie. PSRR to w zasadzie zdolność LDO do odrzucania tętnień, które występują po stronie wejściowej (równanie 4). W idealnym LDO prąd stały byłby jedynym napięciem wyjściowym. Jednak wzmacniacz błędu w stabilizatorze nie ma idealnej funkcji przejścia ze względu m.in. na małe skoki, które występują przy wysokich częstotliwościach.

(4)

gdzie UC to napięcie tętnień na wejściu LDO, a UO to napięcie tętnień na wyjściu stabilizatora.

Dla przykładu, LDO, który ma PSRR równy 55 dB przy częstotliwości 1 MHz dla napięcia tętnienia równego 1 mV (na wejściu) może te zakłócenia przy tej częstotliwości do zaledwie 1,78 μV na wyjściu.

Większość LDO ma stosunkowo wysoki PSRR przy niższych częstotliwościach, zwykle w zakresie 10 Hz...1 kHz. Na ogół współczynnik ten spada wraz ze wzrostem częstotliwości zakłóceń. PSRR zmienia się w zależności od różnych parametrów, takich jak temperatura, prąd wyjściowy, napięcie wyjściowe czy różnica napięć (pomiędzy wyjściem a wejściem układu). Na rysunku 5 pokazano przykładowy przebieg PSRR w funkcji częstotliwości dla stabilizatora LDO. Zaprezentowano trzy krzywe, zmierzone dla różnych wartości prądu wyjściowego. Widać, że wraz ze wzrostem prądu PSRR pogarsza się.

Rysunek 5. PSRR w funkcji częstotliwości stabilizatora LDO dla poboru prądu równego 10 mA (linia różowa), 75 mA (linia niebieska) oraz 150 mA (linia pomarańczowa)

Współczynnik PSRR jest istotny dla stabilizatora LDO z uwagi na możliwość efektywnego tłumienia szumów - LDO o wysokim PSRR w możliwie szerokim paśmie może odfiltrować szum o bardzo wysokiej częstotliwości, w tym szumy i zakłócenia pochodzące z wcześniejszych, impulsowych stopni zasilania.

Dlatego też często stosuje się stabilizatory liniowe i LDO, jako ostatni stopień w łańcuchu zasilania, za przetwornicami impulsowymi.

Wzmacniacze operacyjne

Jeśli zmienia się zasilanie wzmacniacza operacyjnego, jego wyjście nie powinno ulec zmianie. Niestety, zazwyczaj można zaobserwować pewne zmiany w napięciu wyjściowym. O tym, jak małe znaczenie ma napięcie zasilania dla wyjścia, mówi omawiany tutaj PSRR. Należy pamiętać, że PSRR jest zależny od częstotliwości, jak pokazano na przykładowym wykresie dla wzmacniacza operacyjnego OP1177 (rysunek 6). W większości przypadków częstotliwość graniczna, gdzie zaczyna się spadek PSRR, odpowiada częstotliwości granicznej wzmocnienia w otwartej pętli, a nachylenie krzywej wynosi około 6 dB na oktawę (20 dB na dekadę).

Rysunek 6. PSRR w funkcji częstotliwości dla wzmacniacza operacyjnego OP1177

Ponieważ PSRR wzmacniacza operacyjnego jest zależne od częstotliwości, linie zasilania takiego układu powinny być dobrze filtrowane. Przy niskich częstotliwościach kilka układów może współdzielić jeden kondensator o pojemności 10...50 μF na każdej linii zasilania, pod warunkiem że nie znajduje się on dalej niż 10 cm (odległość liczona dla ścieżki na PCB) od któregokolwiek z nich.

Przy wysokich częstotliwościach każdy układ scalony powinien mieć linie zasilania odsprzęgnięte kondensatorem o niskiej indukcyjności i pojemności 100 nF (lub mniej) z krótkimi przewodami/ścieżkami na PCB. Kondensatory te muszą również zapewniać ścieżkę powrotną dla prądów wysokiej częstotliwości do masy w obciążeniu wzmacniacza operacyjnego. Typowe obwody odsprzęgające pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7. Techniki filtrowania zasilania dla zakłóceń o niskiej i wysokiej częstotliwości dla op-ampów

Przetworniki ADC i DAC

W przypadku przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) oraz cyfrowo-analogowych (DAC) PSRR specyfikuje się podobnie jak dla typowych elementów analogowych, z tą tylko różnicą, że jedna z wartości, które wstawiane są do wzoru postaci analogicznej jak na równaniu 3 czy równaniu 4, jest wartością cyfrową (trzeba ją oczywiście skonwertować do fizycznych wartości, takich samych, w jakich mierzona jest druga z wartości).

Tym, co odróżnia pomiar i analizę PSRR w przypadku układów ADC i DAC, jest obecność często dwóch napięć zasilania układu - cyfrowego i analogowego. W związku z tym, że do układu dostarczane są dwa napięcia, zmierzyć można dwa współczynniki PSRR. Jest to o tyle istotne, że zakłócenia wstrzykiwane w różne linie zasilania w różny sposób interferować będą w torze sygnałowym układu. Pokazano to na rysunku 8. Pokazuje on zakłócenia zmierzone dla przykładowego przetwornika (np. ADC), digitalizującego sygnał sinusoidalny o częstotliwości f0. Do linii zasilania tego układu podawane są zakłócenia w postaci pojedynczego tonu o częstotliwości f. W przypadku wstrzyknięcia zakłóceń do linii cyfrowej pojawiają się one w widmie przy częstotliwości f, jak można by się spodziewać. Jednak, jeśli wstrzykniemy te zakłócenia do linii zasilania sekcji analogowej, prążki pochodzące od zakłóceń zobaczymy nie tylko przy częstotliwości f, ale także f0+f oraz f0-f.

Rysunek 8. Widmo sygnału z widocznymi zakłóceniami po podaniu zakłóceń 1 MHz do linii zasilania: cyfrowej - DVDD (linia zielona) oraz analogowej - AVDD (linia czerwona)

Podsumowanie

Współczynnik odrzucenia wpływu zasilania jest często pomijany przy analizie toru sygnałowego. Warto jednak zwrócić na niego uwagę, szczególnie gdy nasz precyzyjny tor analogowy zasilany jest z przetwornicy impulsowej lub innego zaszumionego źródła zasilania. Zakłócenia te przenikać mogą do sygnału wyjściowego w systemie, pogarszając jego parametry, w szczególności stosunek sygnału do szumu (SNR) itp.

Opisane powyżej procedury pomiarowe PSRR na ogół korzystają z sygnałów sinusoidalnych, co pozwala w łatwy sposób emulować tętnienia zasilania, jak i inne źródła zakłóceń. Nie tylko tętnienia, ale także szum termiczny czy 1/f są tłumione przez PSRR zasilanego układu. Wyliczyć możemy całkowitą kontrybucję linii zasilania do szumu układu.

Jeśli chcemy ograniczyć szum, to należy pamiętać, że tętnienia są sprawnie tłumione przez np. koraliki ferrytowe w liniach zasilania, ale szumy termiczne czy 1/f już nie - jeśli poziom szumu w torze sygnałowym jest zbyt duży, a nie możemy wybrać układu o lepszym PSRR, możemy w linii zasilania dodać np. LDO, który zmniejszy poziom zakłóceń - nie tylko tętnień - o wartość swojego współczynnika PSRR.

Nikodem Czechowski, EP

Bibliografia

  1. http://bit.ly/424ssFi
  2. http://bit.ly/3mM3ESo
  3. http://bit.ly/3ZZJKBl
  4. https://bit.ly/3LeCltT
  5. "Op Amp Power Supply Rejection Ratio (PSRR) and Supply Voltage"., Analog Devices Tutorial MT-043 (2009).
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów