如何测量LDO输出电压中交流电压峰峰值
other parts discussed in post:lp5907, ths3120, opa552, opa564, opa211, opa228, opa189, opa656, ths3120evm
psrr是什么
psrr（power supply rejection ratio）又称电源抑制比，是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对数比，单位为分贝（db）[1]，其计算公式为:
式中：
：输入电压中纹波峰峰值
：输出电压中纹波峰峰值
从公式中可以看出psrr越大，相同输入纹波在输出端的纹波越小，对于纹波有较高要求的射频和无线应用中，需要选用高psrr的ldo。那么ldo的psrr该如何测量呢？本文总结了各种测量方法。
psrr测量原理
在ldo输入的直流电压vin_dc中叠加一定频率且峰峰值为rippleinput的交流电压vin_ac（交流电压峰峰值一般为数百毫伏），然后测量ldo输出电压中vout_dc的交流电压vout_ac峰峰值rippleoutput，最后利用公式1计算出在该频率下的psrr。
ldo的输入电压在测试中需要满足以下条件：
输入电压最大值不能超过ldo的最大工作电压。
输入电压最小值大于ldo输出电压与压降之和。
psrr测量原理十分简单，但是在实际测量的过程中却发现并不容易，主要体现为：
如何在直流电压中叠加交流电压呢？具有偏置电压功能的信号发生器好像可以满足要求，但是信号发生器最大输出电流一般为数十毫安，如果要测量输出为150ma的lp5907便无法满足要求。
如何测量ldo输出电压中交流电压峰峰值呢？一般的示波器只能测量到毫伏级电压，当ldo的psrr为60db时，输出纹波通常小于1mv，示波器就无法准确测量了。
针对以上两个问题，本文将介绍相应的解决方法。
输入直流电压叠加交流电压
1. 输入注入器
使用专业的输入注入器，比如j2120a，带宽10hz-10mhz，直流电压最大值为50v，输出电流可达5a，配合网络分析仪分别测量ldo输入和输出的交流电压，利用软件绘制出ldo在设定频率范围内的psrr。
图1 输入注入器和网络分析仪测试psrr
2. 加法运放电路
使用运算放大器设计加法电路，将直流电压和交流电压叠加在输出端。运放的选择需要满足以下几个基本条件：
1） 运放的带宽满足ldo测试范围。
2） 运放的最大输出电流不小于ldo最大输出电流。
3） 运放的输出电压范围覆盖ldo的输入电压范围。
ti满足以上要求的运算放大器有许多，比如opa552、opa564、ths3120等，加法电路图如图2所示（r1=r2），该电路的最低截止频率由c1和r1所决定[2]，最高截止频率由运放的带宽所决定。
图2 加法运放电路
如果信号发生器直流偏置电压最大值满足测量需求，也可以将运算放大器设计为电压跟随器。用该方法在测量psrr时要去掉ldo的输入电容，避免运算放大器不稳定。
3. lc节点法
利用电感和电容实现直流电压和交流电压叠加的方法如图3所示，该电路的最高频率由l1和c1所决定，最低频率由c1所决定。
图3 lc节点法
ldo输出交流电压测量
1. 示波器测量
对于一般的示波器可以测量到毫伏级电压，当ldo的psrr不高于40db~50db时，如果输入交流电压峰峰值为1v，那么ldo输出中的同频率交流电压峰峰值为3mv~10mv，可以用示波器直接测量。
2. 放大器和示波器测量
当ldo的psrr大于50db时，由于输出纹波幅值通常小于1mv，无法利用示波器直接测量。这时可以考虑使用运算放大器将ldo输出交流电压放大100倍甚至更高，在设计运放时需要考虑:
1) ldo输出有直流电压，电路需要将直流电压去掉。
2) 放大电路自身产生的噪声要远远小于放大后交流电压。
3) 运放输入失调电压不能太大，否则经放大电路放大后会输出很大的直流电压。
4) 放大电路的带宽满足ldo的psrr测量频率范围。
因此在设计时可以选择低噪声、低输入失调电压和高带宽的运算放大器，比如opa211、opa228、opa189等。放大电路如图4所示，该电路的最低截止频率由c1和r1所决定，最高截止频率由运放的带宽所决定。
图4 放大电路
3. 频谱分析仪测量
频谱分析仪可以测量微伏级电压信号，可以配合使用高阻抗输入探头来测量ldo输出交流电压。但是频谱分析仪高阻抗输入探头通常比较昂贵，一般实验室并没有配备，这时可以考虑用运算放大器搭建一个高输入阻抗探头，可参考steve hageman在扩展射频频谱分析仪可用范围的高阻抗fet探头[3]中提到的电路，如图5所示，运算放大器可以选用opa656。
图5 高阻探头电路
psrr测量
本次测量的ldo是tps7a4901，将tps7a4901evm的输出电压重新设计为1.2v，输出电容改为10uf。采用ths3120作为直流电压和交流电压叠加电路，利用ths3120evm并将其改为图6所示的电路。选用opa211设计为图7所示的100倍放大电路。
图6 ths3120直流电压和交流电压叠加电路
图7 opa211放大电路
ths3120和opa211供电电压为±15v，ths3120直流电压为3.2v，交流正弦电压为1khz且峰峰值为1v。 tps7a4901输出电流为150ma，nr/ss脚电容和前馈电容未接。图8为ldo放大后输出纹波和输入纹波，图9是tps7a4901放大后输出纹波fft变换。
图8 ldo放大后输出纹波（黄线）和输入纹波（蓝线）
图9 tps7a4901放大后输出纹波fft变换
从图9中可以得出在1khz时的输出纹波幅值为-26.46dbv，换算成未放大ldo输出电压中1khz纹波峰峰值为0.95mv，利用公式1可得出psrr为60.4db，与datasheet中62db较为接近，改变交流电压频率还可以测量在不同频率下的psrr。
如果使用输入注入器和网络分析仪可以方便得测量出ldo在设定频率范围的psrr曲线。如果没有输入注入器和网络分析仪，可以选择上诉所列举的输入和输出的一种组合，然后设定一个频率，测量输入输出电压中交流电压幅值 和 ，利用公式1得出psrr，然后改变输入交流信号频率重复测量，最终得到整个频率范围内的psrr曲线。
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psrr（power supply rejection ratio）又称电源抑制比，是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对数比，单位为分贝（db）[1]，其计算公式为:
式中：
：输入电压中纹波峰峰值
：输出电压中纹波峰峰值
从公式中可以看出psrr越大，相同输入纹波在输出端的纹波越小，对于纹波有较高要求的射频和无线应用中，需要选用高psrr的ldo。那么ldo的psrr该如何测量呢？本文总结了各种测量方法。
psrr测量原理
在ldo输入的直流电压vin_dc中叠加一定频率且峰峰值为rippleinput的交流电压vin_ac（交流电压峰峰值一般为数百毫伏），然后测量ldo输出电压中vout_dc的交流电压vout_ac峰峰值rippleoutput，最后利用公式1计算出在该频率下的psrr。
ldo的输入电压在测试中需要满足以下条件：
输入电压最大值不能超过ldo的最大工作电压。
输入电压最小值大于ldo输出电压与压降之和。
psrr测量原理十分简单，但是在实际测量的过程中却发现并不容易，主要体现为：
如何在直流电压中叠加交流电压呢？具有偏置电压功能的信号发生器好像可以满足要求，但是信号发生器最大输出电流一般为数十毫安，如果要测量输出为150ma的lp5907便无法满足要求。
如何测量ldo输出电压中交流电压峰峰值呢？一般的示波器只能测量到毫伏级电压，当ldo的psrr为60db时，输出纹波通常小于1mv，示波器就无法准确测量了。
针对以上两个问题，本文将介绍相应的解决方法。
输入直流电压叠加交流电压
1. 输入注入器
使用专业的输入注入器，比如j2120a，带宽10hz-10mhz，直流电压最大值为50v，输出电流可达5a，配合网络分析仪分别测量ldo输入和输出的交流电压，利用软件绘制出ldo在设定频率范围内的psrr。
图1 输入注入器和网络分析仪测试psrr
2. 加法运放电路
使用运算放大器设计加法电路，将直流电压和交流电压叠加在输出端。运放的选择需要满足以下几个基本条件：
1） 运放的带宽满足ldo测试范围。
2） 运放的最大输出电流不小于ldo最大输出电流。
3） 运放的输出电压范围覆盖ldo的输入电压范围。
ti满足以上要求的运算放大器有许多，比如opa552、opa564、ths3120等，加法电路图如图2所示（r1=r2），该电路的最低截止频率由c1和r1所决定[2]，最高截止频率由运放的带宽所决定。
图2 加法运放电路
如果信号发生器直流偏置电压最大值满足测量需求，也可以将运算放大器设计为电压跟随器。用该方法在测量psrr时要去掉ldo的输入电容，避免运算放大器不稳定。
3. lc节点法
利用电感和电容实现直流电压和交流电压叠加的方法如图3所示，该电路的最高频率由l1和c1所决定，最低频率由c1所决定。
图3 lc节点法
ldo输出交流电压测量
1. 示波器测量
对于一般的示波器可以测量到毫伏级电压，当ldo的psrr不高于40db~50db时，如果输入交流电压峰峰值为1v，那么ldo输出中的同频率交流电压峰峰值为3mv~10mv，可以用示波器直接测量。
2. 放大器和示波器测量
当ldo的psrr大于50db时，由于输出纹波幅值通常小于1mv，无法利用示波器直接测量。这时可以考虑使用运算放大器将ldo输出交流电压放大100倍甚至更高，在设计运放时需要考虑:
1) ldo输出有直流电压，电路需要将直流电压去掉。
2) 放大电路自身产生的噪声要远远小于放大后交流电压。
3) 运放输入失调电压不能太大，否则经放大电路放大后会输出很大的直流电压。
4) 放大电路的带宽满足ldo的psrr测量频率范围。
因此在设计时可以选择低噪声、低输入失调电压和高带宽的运算放大器，比如opa211、opa228、opa189等。放大电路如图4所示，该电路的最低截止频率由c1和r1所决定，最高截止频率由运放的带宽所决定。
图4 放大电路
3. 频谱分析仪测量
频谱分析仪可以测量微伏级电压信号，可以配合使用高阻抗输入探头来测量ldo输出交流电压。但是频谱分析仪高阻抗输入探头通常比较昂贵，一般实验室并没有配备，这时可以考虑用运算放大器搭建一个高输入阻抗探头，可参考steve hageman在扩展射频频谱分析仪可用范围的高阻抗fet探头[3]中提到的电路，如图5所示，运算放大器可以选用opa656。
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图6 ths3120直流电压和交流电压叠加电路
图7 opa211放大电路
ths3120和opa211供电电压为±15v，ths3120直流电压为3.2v，交流正弦电压为1khz且峰峰值为1v。 tps7a4901输出电流为150ma，nr/ss脚电容和前馈电容未接。图8为ldo放大后输出纹波和输入纹波，图9是tps7a4901放大后输出纹波fft变换。
图8 ldo放大后输出纹波（黄线）和输入纹波（蓝线）
图9 tps7a4901放大后输出纹波fft变换
从图9中可以得出在1khz时的输出纹波幅值为-26.46dbv，换算成未放大ldo输出电压中1khz纹波峰峰值为0.95mv，利用公式1可得出psrr为60.4db，与datasheet中62db较为接近，改变交流电压频率还可以测量在不同频率下的psrr。
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