最近被邀請(qǐng)回答一個(gè)關(guān)于電源擾動(dòng)對(duì)電路影響的問題，本來想簡單回答一下，結(jié)果回想起工作后第一個(gè)項(xiàng)目有一個(gè)翻車的地方，就越寫越多，干脆寫成文章好了。

這不是一篇實(shí)用的文章，主要是我自己的思路，以及一些看起來比較有趣但沒啥實(shí)用價(jià)值的電路，如果已經(jīng)遇到了PSRR造成的問題，網(wǎng)上能找到很多相關(guān)的資料。

PSRR一般定義成電源擾動(dòng)與電路輸出的比，因?yàn)榉肿臃帜傅亩x不太一樣，在不同的地方見到PSRR，可能會(huì)差一個(gè)負(fù)號(hào)，不影響意思的表達(dá)，本文約定PSRR為正，即：

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我們先看一個(gè)簡單的問題：已有10V的電源，如何得到5V？能想到最簡單的方法就是電阻分壓，兩個(gè)阻值相同的電阻串起來接到電源上，電阻中間剛好是電源電壓的一半5V。

簡單吧，接下來問題難度加大，如果是一個(gè)有噪聲的10V電源，如何得到一個(gè)純凈的5V？

簡單的電阻分壓

這個(gè)時(shí)候電阻分壓的效果就不好了，分壓比對(duì)于電源和噪聲來說是無差別的，都是衰減6dB，也就是說這個(gè)電阻分壓電路的PSRR是6dB。

分壓輸入與輸出

為了進(jìn)一步衰減噪聲，我們很容易想到加電容濾波的做法。在輸出加上1uF的電容，噪聲由之前的大約400mVpp降低到了8mVpp，降低了50倍，這時(shí)的PSRR為40dB。不過這樣的作法也能看到明顯的缺陷，首先對(duì)低頻噪聲的抑制效果并不好，其次電容太大會(huì)嚴(yán)重拖慢電路從上電到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

電阻分壓和濾波

輸入與輸出

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如何進(jìn)一步降低輸出噪聲？無限制增加電容，當(dāng)然不現(xiàn)實(shí)，電阻分壓的方法基本到頭了。

現(xiàn)在請(qǐng)出半導(dǎo)體器件。在較寬電源范圍下，能產(chǎn)生相對(duì)恒定電壓的半導(dǎo)體器件，首先想到的就是穩(wěn)壓二極管。

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓

輸入與輸出

現(xiàn)在噪聲大概9mVpp，比之前帶濾波的電阻分壓要高一點(diǎn)，雖然有點(diǎn)惡化了，但我們還沒有加入電容，算是有得有失吧。

到這里還不算結(jié)束，有沒有方法在不加入電容濾波的情況下，進(jìn)一步降低這個(gè)電路的噪聲呢？當(dāng)然有，我們可以使用恒流源偏置二極管。現(xiàn)在噪聲下降到了140uVpp，PSRR增加到約76dB，是非常顯著的提升。

不過現(xiàn)實(shí)中穩(wěn)壓二極管也有很多缺點(diǎn)，比如電壓值不如電阻分壓靈活，自身會(huì)產(chǎn)生噪聲等等，當(dāng)然這些都是后話，也有相應(yīng)的解決方案，篇幅原因這里就不展開了。

恒流源偏置的穩(wěn)壓二極管

輸入與輸出

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為什么穩(wěn)壓二極管在沒有電容的情況下，仍然可以衰減電源過來的噪聲？

我們來看一看穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。當(dāng)穩(wěn)壓二極管反向擊穿的時(shí)候，擊穿電壓隨反向擊穿電流的變化非常不顯著，或者說即使反向擊穿電流波動(dòng)較大，擊穿電壓也幾乎不發(fā)生變化。自然的，電源電壓存在波動(dòng)影響到了反向擊穿電流，但擊穿電壓幾乎不發(fā)生變化，這樣就把電源噪聲衰減了。

大部分情況下，我們就是利用半導(dǎo)體器件這種非線性伏安特性來穩(wěn)壓的。這樣思路能更開闊一點(diǎn)，除了使用穩(wěn)壓二極管，還可以使用普通二極管正向偏置特性來穩(wěn)壓，就是要多串幾個(gè)二極管...還有腦洞更大的用正偏的LED來穩(wěn)壓。

上面用到的JFET恒流源也是利用半導(dǎo)體器件的非線性來做到近似橫流的，這里也不展開了。

穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線，圖片來自wikipedia

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講了這么久分壓和穩(wěn)壓，可這關(guān)其他的電路什么事呢？還記得模擬電路教科書上那個(gè)經(jīng)典的分壓偏置放大電路吧，這個(gè)電路的PSRR是多少呢？如果換成剛才講的穩(wěn)壓管進(jìn)行偏置，電路的PSRR又是多少呢？

我的第一個(gè)項(xiàng)目就是在這里翻車了。整個(gè)系統(tǒng)單電源供電，需要用交流耦合的放大器去放大一個(gè)信號(hào)，為了保證放大器的凈空最大，自然要將輸入偏置到1/2VCC，理所當(dāng)然的用倆電阻把VCC分壓了。不巧的是這個(gè)VCC是從開關(guān)電源過來的噪聲不小，更不巧的是我需要放大的信號(hào)很微弱，放大器的增益很高。于是我在放大器的輸出端得到了...放大的開關(guān)電源噪聲。

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影響電路PSRR肯定不止偏置電路這一種途徑，現(xiàn)在我們來看看上面那個(gè)穩(wěn)壓管偏置的放大器。這是一個(gè)電壓跟隨器，理想情況下輸出應(yīng)該略小于輸入，可仿真結(jié)果卻是輸出比輸入大了17倍還多，顯然不符合預(yù)期。

通常認(rèn)為三極管集電極電流只受到基極電流的控制而與集電極電壓無關(guān)，所以有

其中基極電流和集電極電壓無關(guān)

這樣看似乎說不通，集電極電流與集電極電壓無關(guān)，那發(fā)射極輸出也應(yīng)該與集電極電壓無關(guān)。不過我們需要注意，這個(gè)公式是簡化后的模型，實(shí)際的晶體管模型比這個(gè)復(fù)雜得多，只是為了方便計(jì)算，近似的時(shí)候忽略了小項(xiàng)。

我們可以從另一個(gè)角度去看這個(gè)問題，三極管有一種特性叫做厄利效應(yīng)（Early effect）。在考慮厄利效應(yīng)的情況下，三極管集電極電流的公式為

其中VA為厄利電壓，與特定的器件有關(guān)

現(xiàn)在集電極電流是與集電極-發(fā)射極電壓相關(guān)的函數(shù)了，在上面的電路中因?yàn)榛鶚O電壓恒定，所以發(fā)射極電壓也基本恒定，可以近似認(rèn)為集電極電流與集電極電壓有關(guān)。因?yàn)槎鄶?shù)情況下有VA>>VCE，所以大多數(shù)情況下這一項(xiàng)都作為小項(xiàng)忽略了。

再看看考慮厄利效應(yīng)以后的三極管輸出特性曲線

三極管輸出特性曲線，圖片來自wikipedia

在放大區(qū)，由于厄利效應(yīng)的存在，恒定基極電流時(shí)，集電極電流不再是平行于x軸的直線，而是一條斜線，這意味著VCE發(fā)生變化時(shí)，IC也跟著發(fā)生變化。

也就是說除了偏置電路以外，晶體管本身的特性也會(huì)影響電路的PSRR，不要天真的以為避開了電阻分壓就能避免PSRR帶來的麻煩。當(dāng)然還有很多途徑比如各種耦合和串?dāng)_，也會(huì)影響PSRR，這里就不展開了，此外因?yàn)檫@些途徑的影響程度通常隨頻率變化，電路的PSRR特性也是隨頻率變化的。

所以在進(jìn)入電路之前，還是盡可能把電源噪聲搞干凈吧，不要太依賴電路自己對(duì)電源噪聲的抑制能力。

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那就順便看看一些可以改善電源噪聲的例子。

當(dāng)負(fù)載不重的時(shí)候，簡單的RC濾波就能起到較好的效果，這種做法常見于各種低功耗模擬電路供電，部分電源控制IC也通過這個(gè)方法來隔離功率電源和小信號(hào)電源。

LC濾波在射頻領(lǐng)域見的比較多，元件選用得當(dāng)對(duì)高頻噪聲的抑制效果較好，低頻時(shí)不太好用，因?yàn)樾枰艽蟮碾姼辛?#xff0c;電感的體積會(huì)無法接受。

電容倍增器是一個(gè)比較有意思的電路，它通過三極管的電流放大倍數(shù)把接在基極的電容“放大”了，假設(shè)Q1的β是100，那這個(gè)RC乘積等效于1kΩ*100uF而不是1kΩ*1uF，這個(gè)RC的低通效果成倍增長，這也是為啥這玩意叫電容倍增器。選取合適的三極管和RC，電容倍增器能夠輸出極度干凈的電源，比市面上能買到的低噪聲電源都好。不過需要注意，電容倍增器不能穩(wěn)壓，輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載電流變化，此外RC乘積太大也會(huì)導(dǎo)致上電達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變得異常緩慢。這個(gè)電路在一些對(duì)電源噪聲極度敏感但功耗又不高得場(chǎng)合有一定得應(yīng)用，尤其是模擬負(fù)電源（因?yàn)镻NP工藝比NPN差，所以通常負(fù)壓的LDO性能比正壓的差得多，不過最近LT的新產(chǎn)品改變了這個(gè)狀況）。

最后是LDO電源，LDO電源差不多可以看作一個(gè)有源的濾波器，能夠把比較臟的電源濾干凈，需要注意的是輸入輸出電壓一定要大于LDO的最小壓差，不然LDO幾乎不濾除輸入的噪聲。LDO也有自己的PSRR，所以在使用LDO濾波前，先要盡可能把輸入濾除干凈，尤其是把高頻噪聲濾干凈。

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最后來看一個(gè)比較有趣的例子。

這是一個(gè)巧妙利用正反饋的例子：穩(wěn)壓管D1的輸出接到放大器同相輸入端，放大器的輸出通過R1對(duì)D1進(jìn)行偏置，R4是為了保證電路啟動(dòng)時(shí)不會(huì)被正反饋鎖死在相反的方向而不能工作。穩(wěn)壓管穩(wěn)定的電壓通過放大器適當(dāng)放大進(jìn)而偏置穩(wěn)壓管，這樣只要穩(wěn)壓管電壓穩(wěn)定，放大器輸出電壓也穩(wěn)定，穩(wěn)定了穩(wěn)壓管的偏置電壓，穩(wěn)壓管的輸出就更穩(wěn)定...不過需要擔(dān)心的還是U1的PSRR。這個(gè)電路仿真出來的PSRR有95dB，應(yīng)該還有不小的優(yōu)化余地。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的s8050三极管经典电路_浅谈电路的PSRR（电源纹波抑制比）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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