4. 电源抑制比（PSRR）
电源抑制比，简称 PSRR，是衡量电路对电源噪声抑制能力的关键指标。说白了，就是电源上有点纹波，输出端能剩下多少。我刚开始做运放设计时，总觉得增益带宽积够高就行，PSRR 差不多就得了。结果有一次流片回来，系统在电源纹波下输出抖动得厉害，查了三天才发现是偏置电路把电源噪声直接引到了信号路径上。从那以后，我再也不敢小看 PSRR 了。
4.1 PSRR 的定义
PSRR 通常定义为：从电源到输出的增益，与从输入到输出的增益之比。用公式表达就是：
PSRR = ΔVdd / ΔVos
或者更常见的对数形式：
PSRR(dB) = 20 * log10(ΔVdd / ΔVos)
其中 ΔVdd 是电源电压的变化量，ΔVos 是等效输入失调电压的变化量。PSRR 越高，说明电源噪声对电路的影响越小。
关键理解：PSRR 本质上是电源噪声到输出的传递函数，与信号增益的比值。它不是一个静态参数，而是频率的函数。低频时 PSRR 通常很高，但随着频率升高会逐渐下降。
我习惯把 PSRR 理解为电路的「电源免疫力」。免疫力强的电路，电源上哪怕有几十毫伏的纹波，输出端也几乎看不到。免疫力差的，一点点电源波动就能让输出乱跳。
4.2 偏置电路对 PSRR 的影响
偏置电路是 PSRR 的薄弱环节。为什么？因为偏置电路直接连接电源和信号路径。你想想看，偏置电流或偏置电压一旦被电源噪声调制，这个噪声就会通过偏置网络注入到放大器的各个节点。
具体来说，偏置电路影响 PSRR 的途径主要有三条：
- 偏置电流镜的电源依赖性：简单的电流镜，比如基本的两管电流镜，其输出电流会随电源电压变化。电源上升，输出电流也跟着上升，这个变化会直接改变放大器的跨导和工作点。
- 偏置电压的纹波耦合：如果偏置电压直接从电源分压得到，没有经过稳压或滤波，电源纹波就会直接叠加在偏置电压上。我记得有个项目，工程师直接用电阻分压给运放提供偏置，结果电源上 10mV 的纹波，到了输出端变成了 50mV 的噪声。
- 偏置网络的寄生耦合：高频时，偏置线上的寄生电容和耦合路径会把电源噪声带到敏感节点。这个在高频应用中尤其要命。
避坑指南：我曾经遇到过一个案例，偏置电路用了长走线，结果电源上的高频噪声通过寄生电容直接耦合到了偏置线上，导致整个放大器在高频段的 PSRR 急剧恶化。后来加了一级 RC 滤波才解决。所以，偏置线的布局和滤波，真的不能马虎。
下面这张图展示了偏置电路与 PSRR 的关系：
4.3 提高 PSRR 的方法
提高 PSRR，说白了就是切断电源噪声到信号路径的耦合通道。我总结了几种实用的方法：
4.3.1 使用稳压偏置
最直接的方法，就是给偏置电路加一级稳压。用带隙基准或齐纳二极管产生一个与电源无关的参考电压，再用这个参考电压去生成偏置电流。这样，电源上的纹波就被稳压器挡住了。
实用技巧：如果芯片面积有限，可以用简单的二极管稳压结构。虽然精度不如带隙基准，但成本低、实现简单。我有个项目就是用两个二极管串联做稳压，PSRR 从 40dB 提升到了 65dB。
4.3.2 采用 cascode 电流镜
cascode 电流镜能显著提高输出阻抗，从而降低电源电压变化对输出电流的影响。普通的电流镜，输出阻抗大约在几十 kΩ 量级；加了 cascode 之后，可以提升到 MΩ 级别。
下面是一个简单的 cascode 电流镜示例：
// 基本电流镜（低 PSRR）
M1: drain=gate, source=GND
M2: gate=M1.gate, source=GND
// Iout 随 Vdd 变化明显
// Cascode 电流镜（高 PSRR）
M1: drain=gate, source=GND
M2: gate=M1.gate, source=GND
M3: drain=Iout, gate=Vbias, source=M2.drain
M4: drain=M1.drain, gate=Vbias, source=M1.drain
// Iout 几乎不受 Vdd 影响
我习惯在关键偏置路径上至少加一级 cascode。虽然会牺牲一点电压余量，但 PSRR 的提升非常明显。
4.3.3 增加电源滤波
在偏置线上加 RC 或 LC 滤波，能有效滤除高频噪声。具体做法：
- RC 滤波：在偏置电压输出端串联一个电阻，对地并联一个电容。截止频率 f = 1/(2πRC)。我一般取 R=10kΩ，C=10pF，截止频率约 1.6MHz。
- LC 滤波：对高频噪声效果更好，但电感会占用较大面积。适合片外应用。
- 多级滤波：如果噪声频带很宽，可以用两级 RC 滤波，每级衰减 20dB/dec。
注意：滤波电容不能太大，否则会影响偏置电路的建立时间。我曾经为了追求滤波效果，用了 100pF 的电容，结果偏置电压的建立时间从 1μs 变成了 10μs，导致电路启动时工作点不稳定。后来折中取了 10pF。
4.3.4 差分对称结构
差分结构天生对共模噪声（包括电源噪声）有抑制能力。把偏置电路设计成差分对称形式，电源噪声会以共模形式出现，被差分对的共模抑制比（CMRR）衰减掉。
具体做法：
- 偏置电流源采用差分对结构
- 关键偏置节点使用对称布局
- 匹配电阻和电容，确保共模抑制效果
4.3.5 负反馈稳压
在偏置电路内部引入负反馈，可以进一步抑制电源噪声。比如用运放构成一个稳压环路，将偏置电压与参考电压进行比较，误差信号反馈调整偏置电流。
这种方法效果最好，但复杂度也最高。我一般在要求 PSRR > 80dB 的场景下才会用。
4.4 不同方法的对比
下面这个表格总结了各种提高 PSRR 方法的优缺点：
| 方法 | PSRR 提升 | 面积开销 | 功耗开销 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 稳压偏置 | 高（>20dB） | 大 | 中 | 高精度模拟电路 |
| Cascode 电流镜 | 中（10-15dB） | 小 | 低 | 通用运放、比较器 |
| 电源滤波 | 中（10-20dB） | 中 | 低 | 高频噪声抑制 |
| 差分对称结构 | 中（10-15dB） | 中 | 中 | 差分放大器 |
| 负反馈稳压 | 高（>30dB） | 大 | 高 | 高性能 ADC/DAC |
我的建议：实际项目中，很少只用一种方法。我通常的做法是：先用 cascode 电流镜打好基础，再在关键偏置节点上加 RC 滤波，如果 PSRR 还不够，再考虑稳压偏置或负反馈。这样能在面积、功耗和性能之间取得平衡。
嗯，PSRR 这块内容就讲到这里。记住一句话：偏置电路是电源噪声进入信号路径的「大门」，把这扇门关好了，PSRR 自然就上去了。