为什么 5 V 既给运放供电又作为 V 分压电源不会影响 V 电压15 V 稳压芯片如何保证输出稳定例如 SCJY1117B-5-A其作用就是把输入电压例如 30~55.5V 经过降压后的电压稳定成 5V。正常情况下输入电压高于芯片压差要求Dropout输出电流没有超过芯片能力输出端正确放置 10μF100nF 去耦电容那么输出 5V 基本保持稳定。其中10μF 电容补充瞬时电流减小低频纹波提高稳压器稳定性100nF 电容滤除高频噪声吸收开关尖峰防止运放供电抖动可以把它理解成« 稳压芯片负责 “稳压”10μF 负责稳住慢变化100nF 负责消除快速变化。»2为什么运放供电和参考分压共用 5V 不会互相影响例如5V│┌────┴────┐│ ││ 运放供电│30k│├────→ 运放 V│10k│G原因有两个第一运放输入阻抗非常高运放 V 输入阻抗通常达到MΩGΩ输入电流通常只有nApA几乎不消耗电流。因此30k/10k 分压几乎不会因为运放而改变。第二运放供电与 V 属于两条不同支路运放工作时虽然会消耗电流但是供电走的是电源支路V 只是参考电压输入只要 5V 稳定V 自然稳定。3什么时候 5V 会影响 V只有下面几种情况① 稳压芯片输出能力不足例如运放、电路负载太大导致 5V 下降。② 输出去耦不好没有 10μF 或 100nF高频纹波进入 5V。③ 输入电压不足例如 1117 进入 Dropout输出已经不是 5V。总结«V 是否稳定本质取决于 5V 是否稳定而不是是否共用 5V。»为什么 AFE 前要串联 100Ω 电阻典型电路5V│100Ω│├────AFE│22nF│GND1AFE 电流变化时100Ω 压降如何变化根据欧姆定律UIR例如AFE 工作电流 5mAU5mA×100Ω0.5V所以5V → 4.5V如果 AFE 电流增加到 8mAU8mA×100Ω0.8V所以5V → 4.2V可以看到AFE 电流变化主要变化的是 100Ω 上的压降。2为什么不会明显影响 5V 主电源因为5V 由稳压芯片维持。AFE 电流变化时优先变化的是 100Ω 压降。因此AFE 这一侧变化较大5V 主电源变化很小。换句话说100Ω 像一个 “缓冲带”把 AFE 与 5V 主电源隔开。假设 5 V 稳压芯片本身输出稳定。情况 1AFE 电流 5 mA根据欧姆定律电阻前5.0 V电阻后AFE4.5 V情况 2AFE 电流突然增加到 8 mA压降变成电阻前仍约 5.0 V电阻后4.2 V可以看到AFE 电流变化主要体现在 100 Ω 电阻上的压降变化。5 V 主电源几乎保持不变因为稳压芯片负责维持 5 V。更准确地说真正维持 5 V 稳定的是稳压芯片和输出电容100 Ω 电阻的作用是把 AFE 与 5 V 主电源隔离减小 AFE 产生的噪声和瞬态电流直接传到 5 V 母线。3100Ω 除了限流还有什么作用主要有三个作用① 限流防止 AFE 异常时电流过大。② 隔离噪声AFE 内部开关噪声不会直接进入 5V。③ 与 22nF 组成 RC 低通滤波器。为什么 100Ω22nF 能够滤波电路5V│100Ω│├────AFE│22nF│GND100Ω 负责限制高频电流22nF 负责把高频噪声旁路到地。形成 RC 低通滤波器。1截止频率如何计算公式R100ΩC22nF先计算 RCRC100×22×10⁻⁹2.2×10⁻⁶代入f_c1/(2π×2.2×10⁻⁶)得到f_c≈72kHz272kHz 意味着什么噪声频率与 72kHz RC 滤波效果对照表噪声频率常见来源RC72 kHz 截止滤波效果DC0 Hz偏置电压、参考电压完全通过不受影响50 Hz / 60 Hz工频干扰、电源适配器几乎不过滤100 Hz / 120 Hz整流纹波几乎不过滤1 kHz运放低频噪声、控制环路变化几乎不过滤10 kHz部分 PWM、数字信号、低频 EMI很小衰减50 kHz部分低频 Buck 开关频率略有衰减72 kHzRC 截止频率-3 dB 点幅度约降到 70.7%-3 dB100 kHz部分 Buck 开关频率已开始明显衰减150 kHz较低频 Buck如 LM2596明显衰减300 kHz很多 Buck 开关频率衰减较强500 kHz常见同步 Buck 开关频率衰减很强1 MHz高频 Buck、MOS 开关尖峰衰减很强2~5 MHzMOS 开关振铃、PCB 寄生 LC 振荡大幅衰减10 MHzMOS 振铃、EMI 噪声衰减更强30~100 MHzPCB 寄生谐振、辐射 EMI基本被旁路仅剩少量残余100 MHzESD、高频辐射、开关尖峰理论上衰减很大但实际受 PCB 布局、电容 ESL/ESR 影响滤波效果会下降小白理解对于一个 72 kHz 截止频率的 RC 滤波器72 kHz 以下让有用的直流和慢变化信号通过。72 kHz 以上开始 “拦截” 噪声而且频率越高拦截越厉害。因此它非常适合给运放偏置电压、AFE 参考电压滤波因为这些电压本身是稳定的直流而真正需要去掉的正是 Buck 开关产生的 100 kHz几 MHz 高频纹波和尖峰噪声。低于 72kHz基本通过。高于 72kHz开始衰减。例如Buck 300kHz经过 RC 已经明显被削弱。如果1MHz衰减更明显。因此主要滤除Buck 开关纹波MOS 尖峰EMI 高频噪声3为什么选择 22nF如果电容太小例如 1nF。截止频率变成 MHz滤波能力太弱。如果太大例如 1μF。截止频率只有约 1.6kHz。虽然更干净但是供电建立速度变慢。22nF 属于工程上较好的折中值既能抑制 Buck 噪声又不会明显拖慢启动。分压下并联 100nF 有什么作用例如5V│20k│────V│10k│100nF│GND100nF 主要作用稳定参考电压。它不会改变分压值。但是会降低参考电压上的高频噪声。没有 100nF5V 上的尖峰、Buck 纹波、EM 都会进入 V。运放比较时容易产生输出抖动误动作测量噪声增加有 100nF高频直接经过电容进入地。V 更加稳定。因此100nF 又叫参考电压去耦电容、旁路电容。为什么截止频率计算要用上下电阻并联很多人都会误认为应该 20k10k 串联其实不是。原因计算 RC 时分析的是交流。对于交流分析理想 5V 电源阻抗≈0Ω。因此可以把 5V 看成交流地AC Ground。于是电容向外看到20k│AC Ground│V ●───┤│10k│GND20k、10k 都连接到交流地。因此属于并联。计算R20k∥10k(20k×10k)/(20k10k)得到R≈6.67kΩ这就是截止频率计算所使用的等效电阻。为什么截止频率设计在约 200~240Hz对于偏置电压来说它属于直流参考。几乎不会快速变化。因此设计目标不是快速响应而是越稳定越好。1截止频率如何计算20k、10k 并联R6.67kΩ电容100nF代入f_c1/(2π×6670×100nF)得到f_c≈239Hz约 240Hz。2为什么不是几十 Hz如果设计成几十 Hz。需要更大的电容。例如470n、1μF。问题成本增加PCB 面积变大启动速度下降3为什么不是几 kHz如果截止频率太高Buck 300kHz 更多纹波会进入运放偏置。容易增加输出噪声、测量误差。4为什么 200~240Hz 比较合适对于偏置来说信号变化速度非常慢。200Hz 以上全部滤掉不会影响正常工作。但是对于几十 kHz、几百 kHz 噪声能够提供很好的衰减。因此这是工程上非常经典的设计。5RC 时间如何计算时间常数τRC代入τ6670×100nF得到τ≈0.667ms通常经过约 5τ电压基本稳定5τ≈3.3ms也就是说上电约 3ms 左右偏置电压已经建立完成。速度足够快同时又非常稳定。总结«V 是否稳定本质取决于 5V 是否稳定而不是是否共用 5V。»SCJY1117B-5-A提供稳定 5V 电源。10μF100nF稳定 5V滤除低频纹波和高频噪声。100Ω22nF为 AFE 供电做 RC 低通滤波截止 72kHz可大幅衰减 Buck、MOS、EMI 高频干扰。20k/10k100nF产生稳定的运放偏置并通过 RC 降低噪声。RC 截止频率约 200~240Hz适合直流偏置既能滤除开关高频干扰又能保证数毫秒内建立参考电压是工程经典折中方案。
