#28. PSRR (Power Supply Rejection Ratio) 이란?

PSRR이란 Power Supply Rejection Ratio의 약자로 전원(Power Supply)에 잡음(noise)이 인가될 경우 출력으로 얼마나 감쇠되어 나오는지를 나타내는 지표입니다. 다시 말해 전원 전압 VCC로 어떤 주파수를 가진 AC 신호(잡음)가 인가될 경우 출력 전압 VOUT으로 나오는 비율을 의미합니다. 단위는 dB 스케일로 표시합니다. 이를 수식으로 표현하면 수식 1)과 같습니다.

 

수식 1)

 

PSRR은 전원에 인가된 잡음이 출력으로 나오는 비율을 나타내기 때문에 굉장히 중요합니다. 특히, 수신기 같은 SNR이 중요한 회로에서는 더더욱 중요한 팩터이기 때문에 주로 LDO(Low Drop-Out Regulator)나 OPAMP에서 많이 사용되는 용어입니다. PSRR 값은 주파수에 따라 다르기 때문에 전원에 인가되는 잡음의 주파수 대역에 따라 적합한 PSRR 성능을 나타내는 소자를 사용하는 것 또한 중요합니다. 먼저 아래 그림 1의 LDO에서 PSRR을 어떻게 해석할 수 있는지 살펴 봅시다.

 

[그림 1. LDO에서 입력 잡음에 대한 출력 잡음 비율(PSRR)]

 

LDO의 입력으로 잡음 신호가 인가 되더라도 PMOS에 의해 감쇠되어 출력으로 나오는 것을 확인할 수 있습니다. 예를들어, LDO의 입력으로 약10mV 크기와 10kHz 의 주파수를 가지는 VAC,CC 라는 잡음 신호가 인가됐을 때, 출력으로 10uV 크기의 VAC,OUT 전압이 나온다고 하면 10kHz에서 PSRR은 수식 1)에 의해 -60dB가 됩니다. ADI에서 제공하는 ADP151 소자를 가지고 입력 전압(VAC,CC)에 대한 출력 전압(VAC,OUT)의 AC 시뮬레이션을 확인하면 주파수에 따른 PSRR 값을 확인할 수 있습니다. 그림 2. (a)와 같이 LDO(ADP151) 주변 회로를 구성해 봅시다. 입력 전압으로 3.8V를 받아서 3.3V를 출력하는 전원회로를 가정하고, 부하단에서 10mA의 전류를 소모한다고 하면 330ohm의 부하저항을 사용하여 모의 할 수 있습니다. 그리고 잡음 신호를 전원단에 인가하여 VAC,CC와 VAC,OUT에 대한 AC 시뮬레이션을 해보면 그림 2. (b)에서 주파수에 대한 PSRR 결과 값을 확인할 수 있습니다.

 

[그림 2. (a) LDO 회로, (b) PSRR 시뮬레이션 결과]

 

입출력 전압 차이, 부하전류, 출력 전압에 병렬 연결되는 커패시터(C2)에 의해 PSRR 값이 달라지기는 하지만 ADP151의 경우 대체로 그림 2. (b)와 같은 형태의 그래프를 가집니다.  ADP151에서 제공하는 데이터시트의 PSRR 그래프를 시뮬레이션 결과와 비교해보면 상당히 유사함을 확인할 수 있습니다. 약 50kHz에서 -55dB로 가장 PSRR 성능이 낮고, 10MHz에서 상당히 우수하기 때문에 LDO 앞단에 SMPS를 사용한다면 50kHz 대역의 스위칭 주파수를 피해야 한다는 것을 알 수 있습니다.

 

다음은 OPAMP에서 PSRR을 어떻게 해석할 수 있는지 봅시다. 그림 3. (a)와 같이 Gain Bandwidth 500MHz를 커버하는 LTC6268이라는 OPAMP를 사용하여 반전 증폭기(Inverting Amplifier)를 구성해 봅니다. 양전원 VCC는 2.5V, 음전원 -VCC는 -2.5V를 인가하고, 이득(Gain)은 입력저항(R3)과 피드백 저항(R2)을 사용하여 -10배가 되도록 해줍니다. 잡음 신호로 VAC,CC 신호를 인가하여 출력 전압이 어떻게 되는지, 즉 PSRR 값이 어떤지 확인해보면 그림 3. (b)와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있습니다.

 

[그림 3. (a) OPAMP 회로, (b) PSRR 시뮬레이션 결과]

 

OPAMP로 사용한 LTC6268 소자를 그림 3. (a)와 같이 -10배 이득으로 구성하면 약 11MHz에서 3dB Bandwidth를 가지기 때문에 최소한 사용 주파수 대역인 ~11MHz 까지의 PSRR 특성을 확인 해야 합니다. 그림 3. (b)를 보면 대략 11MHz에서 -20dB 정도의 PSRR 값을 가지기 때문에 양전원 VCC로 11MHz의 잡음 신호 VAC,CC가 인가될 경우 출력으로 약 1/100 1/10만큼 크기가 줄어든 VAC,OUT이  출력 됩니다. PSRR의 절대 값이 클수록 출력되는 잡음 신호는 줄어들기 때문에 크면 클수록 좋습니다. 

 

이렇듯 PSRR은 입력된 잡음신호에 대해 얼마만큼 감쇠해서 출력 신호로 전달할 수 있는지를 나타내기 때문에 잡음에 민감한 수신기와 같은 회로부에서 굉장히 중요한 팩터입니다. PSRR이 우수하면 우수할수록 전원에 인가된 잡음 신호에 대해서 좀 더 높은 SNR 비를 가져갈 수 있기 때문이지요. 여기까지 PSRR에 대한 포스팅을 마치겠습니다~!