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直流电源电路去耦重要性解析

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-18 09:46    点击量:

    诸如放大器和转换器等模拟集成电路具有至少两个或两个以上直流电源引脚.对于单直流电源器件,其中一个引脚通常连接到地.如ADC和DAC等混合信号器件可以具有模拟和数字直流电源电压以及I/O电压.像FPGA这样的数字IC还可以具有多个直流电源电压,例如内核电压、存储器电压和I/O电压.

直流电源电路去耦重要性解析
    不管直流电源引脚的数量如何,IC数据手册都详细说明了每路直流电源的允许范围,包括推荐工作范围和最大绝对值,而且为了保持正常工作和防止损坏,必须遵守这些限制.

    然而,由于直流电源噪声或直流电源纹波导致的直流电源电压的微小变化-即便仍在推荐的工作范围内-也会导致器件性能下降.例如在放大器中,微小的直流电源变化会产生输入和直流电源输出电压的微小变化,如图1所示.

    放大器的直流电源抑制显示直流电源输出电压对直流电源轨变化的灵敏度图1. 放大器的直流电源抑制显示直流电源输出电压对直流电源轨变化的灵敏度.

    放大器对直流电源电压变化的灵敏度通常用直流电源抑制比(PSRR)来量化,其定义为直流电源电压变化与直流电源输出电压变化的比值.

    图1显示了典型高性能放大器(OP1177)的PSR随频率以大约6dB/8倍频程(20dB/10倍频程)下降的情况.图中显示了采用正负直流电源两种情况下的曲线图.尽管PSRR在直流下是120dB,但较高频率下会迅速降低,此时直流电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至直流电源输出.

    如果放大器正在驱动负载,并且在直流电源轨上存在无用阻抗,则负载电流会调制直流电源轨,从而增加交流信号中的直流电源噪声和失真.

    尽管数据手册中可能没有给出实际的PSRR,数据转换器和其他混合信号IC的性能也会随着直流电源上的直流电源噪声而降低.直流电源噪声也会以多种方式影响数字电路,包括降低逻辑电平直流电源噪声容限,由于时钟抖动而产生时序错误.

    ? 适当的局部直流电源电路去耦在PCB上是必不可少的典型的4层PCB通常设计为接地层、直流电源层、顶部信号层和底部信号层.表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层,从而最大限度地减少接地连接中的无用阻抗.

    直流电源轨通常位于直流电源层,并且路由到IC的各种直流电源引脚.显示直流电源和接地连接的简单IC模型如图2所示.

    显示走线阻抗和局部直流电源电路去耦电容的IC模型IC内产生的电流表示为IT.流过走线阻抗Z的电流产生直流电源电压VS的变化.如上所述,根据IC的PSR,这会产生各种类型的性能降低.

    通过使用尽可能短的连接,将适当类型的局部直流电源电路去耦电容直接连接到直流电源引脚和接地层之间,可以最大限度地降低对功率直流电源噪声和纹波的灵敏度.直流电源电路去耦电容用作瞬态电流的电荷库,并将其直接分流到地,从而在IC上保持恒定的直流电源电压.虽然回路电流路径通过接地层,但由于接地层阻抗较低,回路电流一般不会产生明显的误差电压.

    显示了高频直流电源电路去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况.否则,连接走线的电感将对直流电源电路去耦的有效性产生不利影响.

    高频直流电源电路去耦电容的正确和错误放置左侧,直流电源引脚和接地连接都可能短,所以是最有效的配置.然而在图3右侧中,PCB走线内的额外电感和电阻将造成直流电源电路去耦方案的有效性降低,且增加封闭环路可能造成干扰问题.

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