為敏感的器件打造超低噪聲電源

引言

射頻技術等應用需要噪聲極低的電源電壓。諸如鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和高分辨率模數轉換器(ADC)等易受干擾的電路，都需要低噪聲的供電。電源線路上的任何干擾都可能會影響應用中的信號。為了產生極為干凈的電源電壓，通常會采用如圖1所示的電源鏈路。

圖1 由高效開關穩壓器和下游線性穩壓器組成的電壓轉換器

開關穩壓器將高電源電壓（如24 V）轉換為較低的電壓（如3.5 V）。然后，這種低電壓可用于為超低噪聲線性穩壓器供電，在輸出端產生噪聲極低的3.3 V電壓。線性穩壓器自身的噪聲水平極低，其均方根噪聲值處于0.8 μV區間內，并具有高達76 dB的電源電壓抑制比(PSRR)（在1 MHz頻率下測得）。這種設置可減少由開關穩壓器產生的電壓紋波。圖1中的設計展示了一種用于產生超低噪聲電壓的典型解決方案。

優化的可能性

多級分立設計方案實現起來不太容易。開關穩壓器的實施離不開經過精心優化的印刷電路板(PCB)布局。否則，開關穩壓器的快速開關瞬變會作為額外的干擾耦合到輸出電壓中。為了避免這種情況，有必要將線性穩壓器布置到距離開關穩壓器足夠遠的位置，但這會造成電源設計占用大量空間。在這類應用中，試圖集成開關穩壓器電路和線性穩壓器的嘗試往往以失敗收場，原因在于開關過程中的噪聲會耦合至最終的輸出電壓。不過，此問題已有行之有效的解決方案。

圖2 高度集成的μModule穩壓器，用于在盡可能小的空間內產生噪聲最小的電壓

解決方案

對于噪聲敏感型應用，可以通過適當的設計來集成開關穩壓器和線性穩壓器。LTM8080是ADI公司μModule?系列中的一款產品中，在開關穩壓器部分和集成的線性穩壓器部分之間提供了內部電磁屏蔽。這種內置屏蔽層能夠吸收由開關穩壓器部分快速切換的電流所產生的電磁干擾。因此，借助超緊湊的設計就能獲得干凈且精確調節的電源電壓。LTM8080可以同時產生兩個不同的電壓，并且采用尺寸為9 mm × 6.25 mm的封裝。其中包含了開關穩壓器（包括電感器）和兩個超低噪聲的線性穩壓器。

圖3 不同輸出電流的噪聲密度

圖3顯示了不同輸出電流的噪聲密度。LTM8080能夠實現均方根(rms)噪聲水平低于1 μV rms（在10 Hz至100 kHz之間）。相比之下，未經電壓調節的鋰離子電池電壓的典型值為2.7 μV rms（在10 Hz至100 kHz之間）。因此，圖2中所示的電壓轉換器產生的噪聲比電池電壓產生的噪聲要小。

結論

此外，采用這種解決方案時，電路設計極為簡單，無需深入了解開關穩壓器的設計和所需的PCB布局。

μModule穩壓器巧妙的設計實現了超低噪聲的供電，不僅集成度高，而且尺寸極為緊湊。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。