PSSR — Teletype

Обычный случай: вы проектируете устройство, где есть питание под названием AVDD.

Это может быть питание для АЦП или чего-то другого аналогового, где требуется постоянное напряжение, в идале без всяких шумов.

Мы знаем, что импульсные источники питания (Buck, Boost и тд), очень эффективные, но при этом шумные из-за того, что работают на определенной частоте.

То ли дело LDO! Вот он не импульсный, он малошумный и стабильный.

Но также мы знаем, что нет ничего идеального в электронике, а так же что на рынке микросхем сумасшедше большой выбор. Настолько большой, что порой теряешься в разнообразии.

И вот как в таком случае выбрать подходящий LDO? Все ли они не шумят одинаково? Или всё-таки есть между ними какая-то разница?

В плане шумов, между ними, действительно есть разница и она описывается таким параметром как PSSR.

Что такое PSSR?

Power Supply Rejection Ratio или Power Supply Ripple Rejection (PSRR) это соотношение между уровнем шума на входе и уровнем шума на выходе. Грубо говоря, во сколько раз Output noise меньше, чем Input noise.

Шум на входе может иметь разную частоту и обычно LDO хорошо подавляет шум на низких и средних частотах (до 1МГц), а на высоких - хуже.

На рисунке ниже можно увидеть пример из даташита о взаимосвязи между PSSR и частотой шума:

Можно заметить, что PSSR выражается в противных децибелах, но так выражается почти всё, что связано с частотами. Причем выражается в минус децибелах. Это, чтоб было удобнее смотреть: чем больше децибел, тем больше ослабление шума. Чем больше на графике, тем лучше.

Соответственно формула расчета:

Через нее можно посчитать уровень выходного шума в вольтовом измерении. А также, с помощью значения PSSR можно отфильтровать микросхемы на Digikey.

Что влияет на PSSR?

У разных семейств LDO будет разный уровень подавления шумов, а так же разное поведение, но есть несколько дополнительно влияющих факторов:

Падение напряжения на самом LDO
Выходной ток
Выходной конденсатор
Конденсатор на опорном напряжении
Feedforward конденсатор

Падение напряжения и выходной ток

Как ни странно, маленькая разница между входным и выходным напряжением может очень сильно снизить PSSR. Это связано с тем, что FET транзистор внутри LDO близок к переходу в dropout режим, а значит его способности регулировать выходное напряжение сильно снижены.

На рисунке ниже показан график для той же микросхемы, но теперь разница между входом и выходом не 1В (как это было выше), а 0.25В.

Для одной и той же точки 150mA, 1МГц разница в 23дБ (или в 14 раз). Ничего себе.

Также видно, что очень сильно PSSR зависит от выходного тока при таком маленьком падении напряжения. Это тоже связано с переходом в dropout режим.

Выходной конденсатор

Выходной конденсатор может очень сильно улучшить PSSR на высоких частотах. Чем больше емкость Cout, тем меньшее сопротивление он представляет для шума и таким образом шунтирует высокочастотный шум, не пропуская его дальше.

На рисунке ниже представлен PSSR при выходном конденсаторе 10мкФ (на графике выше - 1мкФ):

Та же точка (150мА, 1МГц), при 10мкФ = 40дБ, при 1мкФ = 23дБ. Ничего себе.

Но тут надо держать в уме, что чем больше Cout, тем медленнее LDO реагирует на резкое изменение нагрузки.

Конденсатор на опорном напряжении

У некоторых микросхем есть отдельный пин, куда выведено опорное напряжение усилителя ошибки (который управляет работой LDO).

У Texas Instruments он называется Noise Reduction (NR):

Из формулы с картинки выше видно, что выходное напряжение зависит от стабильности опорного напряжения Vref.

Соответственно, дополнительный конденсатор на NR/SS пине формирует фильтр нижних частот и смещает частоту среза к меньшим частотам. За счет этого, PSSR улучшается на низких и средних частотах. Но, как можно увидеть на рисунке ниже, в определенный момент увеличение емкости уже не оказывает большого влияния на подавление шумов:

Feedforward конденсатор

Это конденсатор, который ставится в параллель с верхним резистором делителя напряжения для обратной связи. Он может улучшить PSSR на средних частотах, но при этом оказывает влияние на время отклика при изменении нагрузки и на устойчивость работы LDO. Обычно его выбирают в диапазоне от 10нФ до 100нФ.

Summary

Таблица ниже наглядно подводит итого всего вышенаписанного и описывает какие факторы влияют на какие частоты.