原创 剖析开关电源对运放的影响

一般模拟量信号进入ADC芯片之前，要利用运算放大器进行信号调理，以提供必要的电平变换、滤波、ADC芯片驱动等等。运算放大器与ADC相接口时，容易受到开关电源的影响，从而也影响ADC芯片采集的稳定。图2是运算放大器与ADC的典型接口图。

图2：运算放大器与ADC的典型接口图

大多ADC芯片内部的模拟输入端都具有一个采样电容Cin，电阻R1对运放输出限流，数倍于采样电容的陶瓷电容C1使得开关SW合上的瞬间，通过C1迅速给采样电容Cin充电。R1、C1的具体数值，与运放的稳定性、建立时间、ADC采样时间、需要的采样精度有关。

这里要指出的是，在上述过程中，运放的电源也会起很大的作用。在运放对电容充电期间，瞬间需要较大的电流，而开关电源的负载响应时间不够，将造成比较大的电源纹波，影响运放的输出。比如采用C1=10Cin=250pF，则当SW从别的通道(假设为-5V)切到AI0通道(假设 5V)时，Cin从-5V切换到C1上的电压 5V，C1迅速给Cin充电，最终电压为(5V×10-5V)/11＝4.09V，运放输出要从5V变到4.09V，R1太小容易带来运放输出稳定性问题，同时也会对运放输出电流带来冲击，影响电源电压。

特别是在采用电荷泵给运放-VCC提供小的负电源时，电荷泵输出电压随负载增大而降低的特性使得效果更加明显。比较发现，运放采用直流线性稳压电源时，12位的ADC采集结果很稳定，结果变动可达1LSB以下；相比之下，采用电荷泵器件时，如果电荷泵输出没有大的滤波，ADC采集结果晃动可达3LSB。如果增大R1为100Ω时，C1=10Cin，不考虑运放输出电阻时，需要运放输出电流的最大值为(5－4.09)V/100Ω＝9.1mA)，小于一般运放的最大输出电流。但R1太大，将明显降低ADC所能采集到的信号频率，在ADC对该通道“跟踪”期间，运放无法完成对C1和Cin充电，使得该次采样与运放输入端电压相差较大，会造成谐波失真。

解决办法除了前文描述的以外，同时还可以采用以下方法：

1. 运放的正负电源对地除并接一个10~22μF大电容以减少电源纹波外，再并接一个0.1~1μF的小陶瓷电容，以通过0.1~1μF高频去耦电容的作用，避免负载电容的瞬间充电对电源的影响。效果类似于数字芯片电源和地之间加的去耦电容。

2. 增大图2中ADC前端电阻R1，减小运放的输出电流，能起到一定的滤波作用。当然R1大的话，将衰减通过运放的信号