作者：Glenn Morita

簡介

低壓差穩(wěn)壓器(LDO)可用來為高速時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控振蕩器和鎖相環(huán)這些電路供電。噪聲對(duì)于高性能模擬電路的設(shè)計(jì)人員而言極為重要。降低噪聲的關(guān)鍵是保持LDO噪聲增益接近單位增益，且不影響交流性能或直流閉環(huán)增益。本文描述簡單的RC網(wǎng)絡(luò)如何降低可調(diào)節(jié)輸出低壓差穩(wěn)壓器的輸出噪聲。本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來演示這一簡單方法的有效性。雖然RC網(wǎng)絡(luò)的主要目的是降噪，但它也能改善電源抑制和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 1 顯示典型可調(diào)節(jié)輸出LDO的簡化框圖。輸出電壓VOUT等于基準(zhǔn)電壓與誤差放大器直流閉環(huán)增益的乘積：VOUT = VR × (1 +R1/R2)，其中(1 + R1/R2)是誤差放大器的直流閉環(huán)增益。誤差放大器噪聲VN和基準(zhǔn)電壓噪聲VRN放大相同的倍數(shù)，使輸出噪聲與設(shè)定的輸出電壓成比例增加。這使得輸出電壓上的噪聲比參考電壓高但小于 2 倍，輸出噪聲適度增加但在敏感應(yīng)用中哪怕這種適度增加都有可能無法接受。

LDO 噪聲

LDO的主要噪聲源是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和誤差放大器。當(dāng)今的器件工作時(shí)內(nèi)部偏置電流為幾百nA或更低，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 15 μA的靜態(tài)電流。這些小電流需要使用高達(dá) 1 GΩ的偏置電阻，使得誤差放大器和基準(zhǔn)電壓電路相比分立式部署更為噪雜。典LDO采用電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，因此噪聲增益等于交流閉環(huán)增益，其結(jié)果與直流閉環(huán)增益相同。

降低 LDO 噪聲

兩種降低LDO噪聲的主要方法是過濾基準(zhǔn)電壓，以及降低誤差放大器的噪聲增益。某些LDO可采用外部電容過濾基準(zhǔn)電壓。事實(shí)上，許多所謂的超低噪聲LDO都需要使用外部降噪電容來實(shí)現(xiàn)其低噪聲性能。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是誤差放大器噪聲和任何殘留的基準(zhǔn)電壓噪聲依然會(huì)通過交流閉環(huán)增益放大。這使得噪聲與輸出電壓成正比。

降低誤差放大器的噪聲增益可使LDO的輸出噪聲不隨輸出電壓上升而大幅增加。不幸的是，這對(duì)于固定輸出LDO而言是不可行的，因?yàn)榉答伖?jié)點(diǎn)不易獲得。然而幸運(yùn)的是，該節(jié)點(diǎn)在可調(diào)節(jié)輸出LDO中容易獲得。

圖 2 顯示的是一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出LDO，其中R1 和R2 設(shè)置輸出電壓。由R3 和C1 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可降低誤差放大器的交流增益。為確保具有低相位裕量（或者非單位增益穩(wěn)定）LDO的穩(wěn)定性，選擇R3 將放大器的高頻增益設(shè)為 1.1 左右。如需降低 1/f區(qū)的噪聲，則需選擇C1 將低頻零點(diǎn)設(shè)為 10 Hz以下。

圖 3 將交流閉環(huán)增益（其降噪網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)）與開環(huán)增益以及未經(jīng)過修改的閉環(huán)增益進(jìn)行比較。采用降噪網(wǎng)絡(luò)后，在大部分帶寬中交流增益接近單位增益，因此基準(zhǔn)電壓噪聲和誤差放大器噪聲放大的程度較低。

圖 4 顯示降噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)ADP125 LDO噪聲譜密度的影響。該曲線比較了使用和不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)，4 V電壓下的噪聲譜密度，以及單位增益下的噪聲譜密度。

可看到在 20 Hz至 2 kHz范圍內(nèi)，噪聲性能得到了極大的改善。在R1 和C1 組成的零點(diǎn)之上，采用降噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性與單位增益時(shí)基本相同。噪聲譜密度曲線在 20 kHz以上融合，這是因?yàn)檎`差放大器的閉環(huán)增益與開環(huán)增益相交，無法進(jìn)一步降低噪聲增益。

電源抑制

此頻率范圍內(nèi)的電源抑制比(PSRR)同樣得到了改善。PSRR衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來信號(hào)（噪聲和紋波），使這些干擾信號(hào)不至于破壞電路輸出的能力。PSRR定義為：PSRR =VEIN/VEOUT。這還可以用dB表示：PSR = 20 × log(VEIN/VEOUT)，其中VEIN和VEOUT為出現(xiàn)在輸入端和輸出端的外來信號(hào)。

對(duì)于大部分模擬電路，PSR用于為電路內(nèi)部供電的引腳。然而，對(duì)于LDO，輸入引腳不僅為內(nèi)部電路供電，還為穩(wěn)壓輸出提供負(fù)載電流。

改善 PSR

使用降噪網(wǎng)絡(luò)降低可調(diào)節(jié)輸出LDO輸出噪聲還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即還能改善低頻PSR。圖 2 中的R1、R3 和C1 形成超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，其零點(diǎn)大致在 1/(R1 × C1)處，極點(diǎn)大致在 1/(R3 × C1)處。超前-滯后網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)償環(huán)路提供正饋功能，因此能改善PSR。對(duì)于低于閉環(huán)增益和開環(huán)增益融合的頻率而言，若改善的量以dB表示，則數(shù)值約為 20 × log(1 + R1/R3)。

圖5顯示降噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)可調(diào)節(jié)輸出LDO ADP7102所產(chǎn)生的影響。若輸出為 9 V，則R1 = 64 kΩ、R2 = 10 kΩ、R3 = 1 kΩ、C1 =1 μF。R1和C1在大約2.5 Hz時(shí)建立的零點(diǎn)證明10 Hz以上PSRR得到了改善。在 100 Hz至 1 kHz范圍內(nèi)，總PSRR增加約 17 dB。改善情況直到約 20 kHz處才有所下降；在該處，開環(huán)增益和閉環(huán)增益融合。

瞬態(tài)負(fù)載改善

降噪網(wǎng)絡(luò)還能改善LDO的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。同樣，R1、R3 和C1執(zhí)行補(bǔ)償環(huán)路的前饋功能。負(fù)載瞬態(tài)的高頻分量——由未經(jīng)衰減的誤差放大器檢測——允許誤差放大器快速響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。圖 6 顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)的ADP125 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)情況。使用降噪網(wǎng)絡(luò)后，LDO能在 50 μs內(nèi)響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)，而不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)為 500 μs。

圖 6. 可調(diào)節(jié)輸出 LDO ADP125 的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)(a) 不使用降噪網(wǎng)絡(luò) (b) 使用降噪網(wǎng)絡(luò)<.>

對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

降噪網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)極大地增加啟動(dòng)時(shí)間。圖 7 顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)的ADP125 啟動(dòng)時(shí)間。正常啟動(dòng)時(shí)間約為 600 μs。若C1 = 10 nF，則啟動(dòng)時(shí)間增至 6 ms；若C1 = 1 μF，則增至 600 ms。對(duì)于電路完全上電后不再開關(guān)LDO的應(yīng)用而言，啟動(dòng)時(shí)間增加應(yīng)該不是問題。

圖 7. 可調(diào)節(jié)輸出 LDO ADP125 的啟動(dòng)時(shí)間(a) 不使用降噪網(wǎng)絡(luò) (b) 使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1 = 10 nF(c) 使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1 = 1 μF

結(jié)論

通過添加一個(gè)簡單的RC降噪網(wǎng)絡(luò)，便可明顯改善可調(diào)節(jié)輸出LDO的噪聲、電源抑制和瞬態(tài)性能，為高速時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控振蕩器和鎖相環(huán)等噪聲敏感型應(yīng)用帶來極大的優(yōu)勢(shì)。

ADP125、ADP171、ADP1741、ADP1753、ADP1755、ADP7102、ADP7104 和ADP7105 等LDO均具有這種通用架構(gòu)，并將極大地受益于降噪網(wǎng)絡(luò)的使用。該技巧可用于與圖 2 所示相似的LDO架構(gòu)，在該架構(gòu)中，基準(zhǔn)電壓噪聲和誤差放大器噪聲均由直流閉環(huán)增益放大，因此輸出噪聲與輸出電壓成比例關(guān)系。較新的超低噪聲LDO——比如ADM7151——不會(huì)得益于此降噪網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵摷軜?gòu)采用單位增益LDO誤差放大器，所以基準(zhǔn)電壓等于輸出電壓。此外，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓濾波器極點(diǎn)低于 1 Hz，可極大地過濾基準(zhǔn)電壓，并消除幾乎全部基準(zhǔn)電壓噪聲影響。

參考文獻(xiàn)

Morita, Glenn.低壓差調(diào)節(jié)器——為什么選擇旁路電容很重要。模擬對(duì)話第 45 期第 1 號(hào)，2011 年。

Morita, Glenn. AN-1120 應(yīng)用筆記；低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器的噪聲源。

作者簡介

Glenn Morita [glenn.morita@analog.com]于1976 年獲得華盛頓州立大學(xué)電氣工程學(xué)士(BSEE)學(xué)位。畢業(yè)后加入Texas Instruments公司，期間參與研制旅行者號(hào)太空探測用紅外分光儀。之后，Glenn一直從事儀器儀表、軍用和航空航天以及醫(yī)療行業(yè)的裝置設(shè)計(jì)工作。2007 年，他加入ADI公司，成為華盛頓州貝爾維尤電源管理產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的一名應(yīng)用工程師。他擁有 25 年以上的線性和開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)電源的功率范圍從微瓦到千瓦不等。Glenn擁有兩項(xiàng)利用體熱能量給植入式心臟除顫器供電方面的專利，以及另外一項(xiàng)延長外部心臟除顫器電池使用壽命的專利。閑暇時(shí)，他喜歡收集礦石、雕琢寶石、攝影和逛國家公園。

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