运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是现代电子电路中最常用的模拟元件之一。其性能指标直接影响电路的精度、稳定性和可靠性。在众多参数中，**电源电压抑制比（Power Supply Rejection Ratio，简称PSRR）**是衡量运算放大器在电源电压变化情况下维持输出稳定性的重要指标。本文将系统解析PSRR的定义、原理、影响因素、测量方法以及在设计中的实际应用，为电气工程师和电子设计人员提供科学、可操作的指导。

一、运算放大器电源电压抑制比（PSRR）的定义

电源电压抑制比（PSRR）是指运算放大器输出电压对电源电压变化的抑制能力。简单来说，它表示运算放大器的输出在电源电压波动情况下保持稳定的能力。

通常用公式表示为：

$$PSRR = 20 \log_{10} \frac{\Delta V_{supply}}{\Delta V_{out}}$$

其中：

• $\Delta V_{supply}$ 表示电源电压的变化量

• $\Delta V_{out}$ 表示由电源变化引起的输出电压变化

单位为 dB（分贝），值越大表示运算放大器对电源干扰抑制能力越强。

在实际应用中，PSRR通常包括两类：

1. 静态PSRR（DC PSRR）：衡量直流电源电压变化对运算放大器输出的影响。

2. 动态PSRR（AC PSRR）：衡量交流电源噪声（如纹波、干扰）对输出的影响，通常随频率变化而衰减。

二、PSRR产生的原理

运算放大器由多个放大级组成，其中输入级、差分放大器、增益级和输出级均可能受电源电压变化影响。PSRR的产生原理主要涉及以下几个方面：

1. 输入级偏置电流与电压变化

• 输入级通常为差分放大器，依赖电源提供偏置电流。

• 电源电压变化会导致偏置电流变化，从而在输出端产生误差电压。

2. 增益级的电源依赖性

• 放大器中间级的晶体管增益和工作点也依赖于电源电压。

• 电源波动会引起中间级工作点漂移，间接影响输出。

3. 输出级的电源耦合效应

• 输出级通常直接与电源连接（如推挽输出）。

• 电源波动会直接耦合到输出，尤其在低阻抗负载条件下更明显。

因此，PSRR实际上衡量的是运算放大器从输入到输出级整体对电源波动的“抵抗能力”。

三、影响PSRR的主要因素

运算放大器的PSRR性能受到多种因素影响，设计时需要综合考虑：

1. 器件类型

• 双极型BJT输入运算放大器通常PSRR较好（几十dB到上百dB），适合精密应用。

• MOSFET输入运算放大器由于输入栅极高阻抗，直流偏置电流低，但PSRR可能受到电源纹波影响较大。

2. 电源结构

• 对称双电源（±V）供电时，PSRR通常较单电源供电更高。

• 电源稳压质量越好，PSRR表现越优。

3. 频率特性

• PSRR随频率升高而下降，低频（直流）抑制能力较强，高频交流噪声抑制能力弱。

• 例如，一些高精度运算放大器DC PSRR可达120dB，而在100kHz时可能降至60dB左右。

4. 温度

• 半导体器件的工作参数随温度变化，电源抑制能力可能随温度漂移而下降。

5. 电路拓扑

• 差分输入级、Cascode结构和多级反馈设计可以提高PSRR。

• 增益回路设计合理也能改善电源抑制性能。

四、PSRR的测量方法

测量PSRR可以通过实验室测试或者器件手册提供数据进行评估：

1. 直流PSRR测试（DC PSRR）

• 将运算放大器按标准电路接好输入和负载。

• 改变电源电压 $\Delta V_{supply}$，测量输出端变化 $\Delta V_{out}$。

• 计算PSRR：

  $$PSRR_{DC} = 20 \log_{10} \frac{\Delta V_{supply}}{\Delta V_{out}}$$

2. 交流PSRR测试（AC PSRR）

• 向电源输入端叠加小幅交流扰动信号（电源纹波）。

• 测量输出端交流幅度衰减值。

• 不同频率下的PSRR可绘制成曲线，反映运算放大器对不同频率干扰的抑制能力。

3. 注意事项

• 测试时负载阻抗应与实际电路一致，否则结果偏差较大。

• 高频测量时需考虑寄生电容和PCB布线影响。

五、PSRR在实际电路中的应用和意义

1. 高精度信号放大

• 在传感器接口、仪表放大器、微弱信号测量中，电源波动会引起输出漂移。

• 高PSRR运算放大器可以有效抑制电源噪声，提高测量精度。

2. 低噪声模拟电路

• 精密滤波器、音频放大器、医用模拟电路对电源抑制能力要求高。

• PSRR低的运算放大器容易引入电源噪声，影响信号纯净度。

3. 系统稳定性

• 工业控制系统、电机控制或数据采集系统中，PSRR直接影响系统稳定性。

• 电源波动引起的输出漂移可能导致误动作或控制失效。

六、提高电路PSRR的设计策略

在实际设计中，可以通过以下方法提高PSRR效果：

1. 选择高PSRR运算放大器

• 参考器件手册选择DC PSRR和AC PSRR均满足要求的型号。

• 例如TI OPA227、Analog Devices AD797等高精度运算放大器。

2. 优化电源设计

• 使用稳压电源、低纹波电源模块。

• 增加旁路电容或低通滤波器，滤除高频电源干扰。

3. 合理布线与屏蔽

• 电源线远离信号线，减少电磁干扰。

• 对敏感信号进行屏蔽，防止耦合干扰。

4. 多级滤波和反馈优化

• 在输入级或关键节点增加RC滤波网络。

• 使用负反馈回路稳定工作点，减少电源影响。

七、总结

运算放大器电源电压抑制比（PSRR）是衡量运算放大器对电源波动抑制能力的重要指标，直接关系到电路的精度、稳定性和可靠性。其主要特点包括：

• 高PSRR可有效减少电源波动对输出的影响

• PSRR随频率增加和温度变化而衰减

• 测量PSRR需要考虑电路负载、电源类型及频率特性

• 提高PSRR可通过器件选择、电源优化、布线屏蔽和滤波策略实现

在高精度模拟电路、传感器信号处理、低噪声放大器及工业控制系统中，PSRR是关键性能参数。工程师在设计时应充分理解PSRR的意义，并采取有效措施保证电路的稳定和可靠。