如何计算psrr

电源抑制比（英文名称PSRR）是衡量电路抑制电源噪声能力的关键参数，尤其在精密模拟与射频设计中至关重要。本文将深入剖析其核心定义、物理意义与多种实用计算方法。内容涵盖从基础理论公式推导、实测搭建技巧到仿真模型应用，并结合典型场景分析影响其数值的各类因素，旨在为工程师提供一套完整、可操作的评估与优化指南。

       在精密电子系统的世界里，电源并非总是理想和纯净的。无论是开关电源的纹波，还是数字电路快速切换引入的毛刺，这些不受欢迎的噪声都会沿着供电网络悄然潜入敏感的模拟或射频电路部分，最终在输出端显现为令人头疼的干扰。如何量化一个电路模块抵御这种“病从口入”的能力呢？答案就是电源抑制比。本文将以实用为导向，系统性地阐述其计算与评估方法。

       理解电源抑制比的核心定义

       电源抑制比，其英文全称为Power Supply Rejection Ratio，常简写为PSRR。它是一个对数比值，用于描述电路输出信号受电源电压变化影响的程度。更具体地说，它定义为电源电压上的一个微小交流变化量（即噪声或纹波）与由此在电路输出端产生的等效交流变化量之比，通常以分贝为单位表示。一个高的电源抑制比值意味着电路能非常有效地抑制电源端的扰动，反之则说明电路对电源噪声非常敏感。理解这个定义是进行所有计算的理论基石。

       掌握基础的理论计算公式

       根据定义，电源抑制比最根本的计算公式可以表达为：电源抑制比等于二十乘以以十为底的对数函数，其真数为电源电压变化量与输出端等效电压变化量之比的绝对值。这个公式直接源于其分贝定义。在实际应用中，我们通常关心的是在某个特定频率下的电源抑制比，因此公式中的变化量指的是该频率下的交流信号幅度。这个公式是解析法和部分仿真方法的直接依据。

       通过电路小信号模型进行解析计算

       对于结构相对简单的电路，如低压差线性稳压器或运算放大器的内部核心，可以通过建立其小信号等效模型来推导电源抑制比的解析表达式。这种方法需要将电源端口视为一个独立的交流小信号输入源，然后运用电路分析理论（如节点电压法或网孔电流法）求解传递函数，即输出信号与电源扰动信号之比，最后代入分贝计算公式。这种方法能清晰地揭示电路拓扑、器件参数对电源抑制比的内在影响。

       利用仿真软件进行频域分析

       对于复杂的集成电路或系统，手工解析计算变得异常困难。此时，借助仿真工具是最高效的方法。在仿真软件中，可以为电路提供一个理想的直流偏置电源，并在此基础上叠加一个幅值很小的交流扫描信号源。通过执行交流小信号分析，软件能够直接绘制出从电源端到输出端的频率响应曲线。曲线上任意频率点对应的增益（以分贝表示）的负值，即为该频率下的电源抑制比。这是目前工程实践中最主流的计算方法。

       搭建实际测试环境进行测量

       理论计算和仿真都需要模型的准确性，最终必须通过实测验证。测量电源抑制比需要一个精密的测试平台：一台低噪声的直流电源为待测器件供电，一台信号发生器用于向直流电源上注入已知频率和幅度的交流扰动信号，一台网络分析仪或频谱分析仪用于精确测量输出端的响应信号幅度。电源抑制比等于注入信号幅度与输出响应幅度之比的分贝值。测试时需注意阻抗匹配、接地环路屏蔽等细节，以确保数据可靠。

       关注电源抑制比随频率变化的特性

       电源抑制比并非一个固定值，它会随着扰动信号的频率发生显著变化。通常，在低频段（如直流到几千赫兹），电路凭借其高增益和反馈机制能实现很高的抑制比。但随着频率升高，电路内部寄生电容、晶体管极间电容的影响加剧，增益下降，导致电源抑制比急剧恶化，其频率响应曲线通常以每十倍频程下降二十或四十个分贝的斜率滚降。因此，计算或评估时必须指明对应的频率点或给出完整的频率曲线。

       区分开环与闭环条件下的电源抑制比

       对于运算放大器这类带有反馈网络的器件，电源抑制比的计算和测量需明确条件。数据手册通常提供的是运放本身的开环电源抑制比，这是一个器件固有参数。当运放接入外部电阻构成闭环放大电路后，整个电路的电源抑制比会发生变化。在低频段，闭环电路的电源抑制比近似等于开环电源抑制比除以电路的回馈系数，这意味着深度负反馈能有效提升对电源噪声的抑制能力。这是系统设计时必须考虑的关键点。

       分析影响电源抑制比的关键电路因素

       理解哪些因素决定了电源抑制比的高低，有助于从设计源头进行优化。主要因素包括：输入差分对的对称性、电流镜的匹配精度、内部基准电压源的稳定性、输出级的设计以及电源引脚到芯片内部节点的寄生阻抗等。任何导致电源噪声能够不对称地调制信号通路，或直接耦合到高阻抗节点的设计缺陷，都会劣化电源抑制比。在计算模型中加入这些非理想因素，能使预测更接近实测结果。

       计算中的直流与交流分量考量

       电源抑制比通常特指对交流扰动的抑制能力。但有时也需要考虑电路对电源电压缓慢直流变化的抑制能力，这被称为电源电压抑制比。在计算时，对于交流电源抑制比，我们关注的是小信号交流传递函数；而对于直流变化，则需要分析电路的共模抑制比、基准源稳定性等直流特性。两者关注的频段和机理不同，在计算方法和结果解读上需明确区分。

       处理正负电源供电的复杂情况

       在双电源供电的系统中（如正十五伏和负十五伏），需要分别计算正电源抑制比和负电源抑制比。因为两个电源的噪声可能通过不同的路径影响输出。计算方法是：当计算正电源抑制比时，将负电源视为理想纯净的交流地；计算负电源抑制比时则反之。有时，两个电源上的同相噪声还会产生共模效应，这又涉及到共模抑制比与电源抑制比的相互作用，使得整体分析更为复杂。

       评估外部元件对系统电源抑制比的影响

       一个完整的电路系统，其整体电源抑制比不仅取决于核心芯片的性能，外围的无源元件也扮演着重要角色。例如，电源引脚上的去耦电容的容量、等效串联电阻和等效串联电感，直接决定了高频噪声被滤除的程度。在计算系统级电源抑制比时，必须将这些外部元件的模型（特别是其高频特性）纳入考虑。不恰当的去耦设计会严重拖累芯片本身的高电源抑制比性能。

       利用数据手册参数进行估算

       对于使用现成集成电路的设计师，通常无法进行芯片级解析计算。此时，器件数据手册是最重要的参考资料。优质的数据手册会提供电源抑制比随频率变化的典型曲线图。设计师可以根据自己系统关心的噪声频率，直接从曲线上读取近似的电源抑制比值。如果手册只给出了一个低频下的数值，则需谨慎，因为在高频下该值可能已经大幅下降，需要结合芯片内部结构进行合理推断或实测确认。

       在模拟数字混合系统中的特殊计算方法

       在混合信号系统中，数字电路产生的电源噪声是模拟部分的主要干扰源。这种噪声往往不是单一频率，而是宽带频谱。此时，计算或评估电源抑制比需要采用积分或统计的方法。例如，可以计算在数字电路开关活动产生的整个噪声频谱范围内，模拟电路的电源抑制比曲线对噪声功率谱密度的加权抑制效果，从而预估最终在模拟输出端出现的噪声总功率或峰值。

       结合具体应用场景确定计算目标

       计算电源抑制比的最终目的是为了满足系统性能指标。因此，在开始计算前，必须明确应用场景对电源噪声抑制的具体要求。例如，在音频放大器中，需要关注人耳敏感频段的电源抑制比；在射频接收机中，则需要关注中频和本振频率附近的电源抑制比，防止噪声混入信号通道。根据目标频率和允许的最大输出噪声，可以反向推算出电路所需的最低电源抑制比，从而指导器件选型或电路设计。

       通过版图与布线优化提升实际电源抑制比

       电源抑制比的计算模型通常基于原理图，但实际实现的性能极大程度受到印制电路板版图和芯片内部布线的影响。电源走线的电感、不同电路模块之间的地弹噪声耦合，都会引入计算模型之外的非理想耦合路径。因此，在完成理论计算后，必须通过精心的布局布线来确保理论性能得以实现。例如，采用星型接地、为敏感模拟电路提供独立的电源和地引脚、缩短去耦电容的回流路径等，都是提升实际电源抑制比的有效手段。

       验证计算结果的常用方法与误区规避

       完成计算后，验证至关重要。除了前述的实测方法，还可以通过交叉验证来增加信心：比如对比解析计算、仿真结果和数据手册曲线，看其趋势和量级是否一致。需要规避的常见误区包括：忽略了测试设备本身的背景噪声、在测量高电源抑制比时使用了不纯净的激励源、错误地将直流电源调整率当作电源抑制比等。清晰理解定义，严格遵循测量规程，是获得准确计算结果的根本保证。

       总而言之，电源抑制比的计算是一个贯穿理论分析、仿真设计、实测验证与系统优化的完整过程。它不仅仅是一个简单的公式套用，更是对电路噪声传导机制的深刻理解。从掌握核心定义出发，灵活运用解析、仿真、测量等多种手段，并结合具体应用需求与实现工艺进行综合考量，工程师才能准确评估并最终设计出对电源噪声具备强免疫力的高性能电子系统。希望本文梳理的脉络与方法，能为您的设计工作提供切实的指引。