PD放大电路调试中的电源问题

本文整理的是调试PD放大电路时遇到的电源问题，包括电源波动与电路输出噪声的关系，LDO的drop-out voltage对于PSRR的影响。

第一版PD放大电路demo用于摸底信号大小。因为没有光功率计无法知道输入给PD的最低光功率也就无法换算出输入给电路的最小电流，所以只能搭个电路板实测才行。当时也没有觉得信号有那么弱，所以供电给PD放大电路的负电源是由电荷泵提供的，正电源是LDO。实测发现放大电路输出噪声峰峰值达到了50mV。这个噪声太大了。那电源是如何影响放大电路的输出噪声的呢?运放有个PSRR参数，参见图1。简单理解就是电源的波动会对输入信号——一般是建模在了同相输入端——有影响，而且跟频率有关系。低频的PSRR非常高，像图1中10K以下该运放的PSRR约有53dB，即电源波动1V，相当于同相输入端会有个AC电压源，它的波动大小为2.2mV。但高频如4M时，PSRR=0，即电源波动多少同相输入端的小AC电压源会波动多少。这个受电源波动影响，建模在同相输入端的电压源，最终会被放大到输出，反映到输出电压噪声上。

旁路电路的选型和layout注意事项，也能够从PSRR得出一些启发。比如小容值电容靠近电源引脚，且接地处打接地过孔，目的是使得电容的ESL小，保证它的高频滤波特性。布局时一定要确保电源电流先流过电容才行，否则电容就起不到滤波作用了。另外，图1不是很明显，通常正负电源的PSRR是不相等的，负电源的PSRR会高一些。

图1 某运放的PSRR参数

那我是如何解决的呢?很简单，就是用干电池搭建成类似电源电压，去掉电路板上面所有电源芯片，直接供电给放大电路就行了。最终的效果为：信号带宽约为7Hz，无屏蔽壳时候，噪声峰峰值约为8mVp-p，约1.3mVrms。简言之，电源会对信号噪声有影响，微弱信号采集应用里需要用低噪声电源如LDO。

第一版PD放大电路经过修改电阻电容值，已经能够满足测量需求了，包括噪声、最低检出限和线性度等等。所以搭建了第二版放大电路，这次不再用电池供电，而是用了LDO。第一次上电测试LDO电源时，居然发现了明显的工频干扰(以后有机会还会整理下工频干扰这个难缠的问题)，参见图2。

 

图2 示波器20Mhz带宽限制，最小接地环连接到LDO正电源处测得波形(约5.8mV峰峰值)

纳闷了好久，因为LDO的低频处的PSRR是非常高的，100dB都很常见。为啥50Hz的干扰都没有滤除呢?后来想起来输入电源电压跟输出电压是一样的，而学LDO时候学过，Vdrop-out越小那么PSRR会越小，当它等于零时，PSRR几乎也是零了。Vdrop-out变小唯一的好处就是效率会增加。通过增加电源电压后，工频干扰消失，参见图3。

图3示波器20Mhz带宽限制、交流耦合，最小接地环连接到LDO正电源处测得波形(约4.59mV峰峰值)

最后，实测发现无论输入电压高低导致LDO输出电源是否有工频干扰，PD放大电路输出信号都是几乎没有区别的。就像图1提到的，可能就是因为运放在低频处的PSRR非常高，50Hz干扰完全可以滤除掉。