Analysis, simulation and optimization of power supply rejection capability

一、电源抑制能力——原理

电源抑制（Power Supply Rejection）能力是SoC系统中电源模块很重要的指标，在当今数字和模拟电路高度集成的趋势下，一个能提供稳定输出电压的系统模块显得尤为重要，而这个模块又很容易受到供电电源的噪声和纹波影响，电源抑制能力描述的就是对这一类影响的抑制能力。

二、实际电路搭建

1、LDO理论电路

使用巨霖PowerExpert软件可以搭建一个LDO的器件结构示意图：

上图中的放大器作为误差放大器，电压从放大器输出经过一个PMOS，为电阻R_1和R_2提供电流，实现分压。假设该误差放大器跨导为，小信号等效电阻为，输出电阻为。为了保证静态功耗低，R_1和R_2取值应保证。上述电路图是一个LDO的结构模型，展示了LDO的基本原理，下面分析输入电压纹波对输出电压的影响。

2、PSR分析电路

LDO在分析PSR时的等效电路可以看成，PMOS的输出电阻与总电路的输出电阻的串联，总电路输出电阻等于输出端开环等效电阻与闭环反馈电阻的并联，开环输出电阻为，闭环反馈电阻为是电路的环路增益，等效电路如下：

PSR可以看做是上图中VDD与Vout的电压比值，即。

在电路实际工作在不同频率下PSR的值也会不同，在低频阶段，高环路增益导致电流绝大部分流向，又由于，所以这也是理想情况；在频率升高至放大器带宽以上时，放大器的开环增益下降，这导致增大，PSR变差。开环增益需乘上衰减因子，表示放大器的带宽，当频率增加到单位增益频率（Unit Gain Frequency，简称UGF）时，放大器增益为1，反馈环路消失，失效；当频率继续增加，电容的等效阻抗继续减小，从而对的分流程度继续增大，输出端的交流分量减小，VDD的交流分量不变。在频率增加过程中PSR的表达式变化如下：

三、仿真验证

在巨霖PowerExpert中搭建LDO的PSR分析电路并进行AC仿真，仿真电路和结果如下：

由仿真结果可见，该电路的PSR变化趋势符合上述分析。

四、PSR优化

通过上述对 LDO 电路的电源抑制比 PSR 进行了分析量化，在实际设计过程中有很多种优化放置，篇幅问题本文仅简单提出三种，不做仿真和验证。最直接方式是增加输出电容减小噪声，从而提高PSR，但是这会增大器件的版图面积，增加成本；还可以减小 LDO 的负载，电路对电源噪声敏感度降低，但会导致高功耗，影响使用寿命；还可以采用高PSR 基准源，使供电电源更稳定，电源噪声对输出更少影响，但电路结构变得更加复杂，还引入了新噪声源。综上所述，以上这些方式都有各自优点与缺点，在实际设计中需要考虑各种因素，选择适合的优化方式，再使用仿真软件验证，巨霖的PowerExpert作为电路仿真软件，具有精度高，收敛性好，器件库丰富等优势，可以在实际电路设计中精准仿真电路，成为工程师们设计环节的有力助手。

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