比較LDO噪聲指標(biāo)

均方根噪聲用單一數(shù)值表示，因此它是用于比較不同LDO性能的一個(gè)有用指標(biāo)。然而，進(jìn)行比較的LDO的噪聲指標(biāo)必須是在相同的測(cè)試條件下測(cè)得。

例如，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)，1.2 V輸出的ADP223均方根噪聲約為27.7 μV rms.如果噪聲帶寬降到100 Hz至100kHz,則均方根噪聲降至約26.2μV rms.均方根噪聲之所以降低，是因?yàn)檫M(jìn)行的噪聲測(cè)量不再包括10 Hz至100 Hz范圍內(nèi)的8.9μV rms噪聲。

此外還必須留意所考慮的LDO的降噪特性。對(duì)于需要外部電容進(jìn)行降噪的LDO,不使用電容時(shí)的噪聲可能比使用電容時(shí)高100倍。在要求小尺寸和低成本的應(yīng)用中，出于節(jié)省PCB面積和成本考慮，可能會(huì)選擇不需要外部降噪電容，但噪聲略高于需要降噪電容的LDO.

LDO PSRR

LDO的PSRR常常與內(nèi)部噪聲相混淆。簡(jiǎn)單地說(shuō)，PSRR衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來(lái)信號(hào)(噪聲和紋波)，使這些干擾信號(hào)不致于破壞電路輸出的能力。電路的PSRR定義如下：

其中，VEIN和VEOUT分別是輸入端和輸出端出現(xiàn)的外來(lái)信號(hào)。

對(duì)于ADC、DAC和放大器等電路，該P(yáng)SRR適用于向目標(biāo)電路內(nèi)部供電的輸入端。對(duì)于LDO,輸入電源引腳為調(diào)節(jié)輸出電壓和內(nèi)部電路供電。

PSRR與頻率的關(guān)系

PSRR不是通過(guò)單一值來(lái)定義，因?yàn)樗c頻率相關(guān)。如圖1所示，LDO由基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、MOSFET或雙極性晶體管等功率調(diào)整元件組成。誤差放大器提供直流增益以便調(diào)節(jié)輸出電壓。誤差放大器的交流增益特性在很大程度上決定了LDO的PSRR.典型LDO在10 Hz時(shí)可能具有高達(dá)80 dB的PSRR,但在數(shù)十kHz時(shí)則可能降至僅20 dB.

誤差放大器增益帶寬與PSRR的關(guān)系如圖9所示。本例已進(jìn)行高度簡(jiǎn)化，輸出電容和調(diào)整元件寄生效應(yīng)被忽略。

PSRR等于60 dB開(kāi)環(huán)增益的倒數(shù)，直到3 kHz時(shí)增益開(kāi)始滾降。PSRR以20 dB/10倍的速率降低，直到3 MHz時(shí)PSRR達(dá)到0 dB;對(duì)于此后所有更高的頻率，PSRR保持0 dB不變。

圖9. 簡(jiǎn)化的LDO增益與PSRR的關(guān)系

圖10的PSRR曲線顯示了表征LDO PSRR的三個(gè)主要頻域：

基準(zhǔn)電壓PSRR區(qū)、開(kāi)環(huán)增益區(qū)和輸出電容區(qū)。

圖10. 典型LDO PSRR與頻率的關(guān)系

基準(zhǔn)電壓PSRR區(qū)取決于基準(zhǔn)電壓放大器的PSRR和LDO開(kāi)環(huán)增益。理想情況下，基準(zhǔn)電壓放大器完全不受電源擾動(dòng)的影響。實(shí)際上，基準(zhǔn)電壓只需要抑制最高數(shù)十Hz的電源噪聲，因?yàn)檎`差放大器反饋確保在低頻時(shí)具有高PSRR.

在大約10 Hz以上的第二區(qū)中，PSRR主要由LDO的開(kāi)環(huán)增益決定。此區(qū)中的PSRR是誤差放大器增益帶寬(最高為單位增益頻率)的函數(shù)。在低頻時(shí)，誤差放大器的交流增益等于直流增益并保持不變，直至達(dá)到3 dB滾降頻率。在高于3dB滾降點(diǎn)的頻率，誤差放大器的交流增益隨著頻率提高而降低，變化速率通常為20 dB/10倍。

在誤差放大器的單位增益頻率以上，控制環(huán)路的反饋對(duì)PSRR無(wú)影響，PSRR由輸出電容和輸入與輸出電壓之間的任何寄生效應(yīng)決定。在這些頻率，輸出電容ESR和ESL以及電路板布局布線會(huì)強(qiáng)烈影響PSRR.為了降低高頻諧振的影響，必須特別注意布局布線。

PSRR與負(fù)載電流的關(guān)系

如"PSRR與頻率的關(guān)系"部分所述，LDO的PSRR取決于誤差放大器反饋環(huán)路的增益帶寬，任何會(huì)影響此環(huán)路增益的因素都會(huì)影響LDO的PSRR.負(fù)載電流可以通過(guò)兩種方式影響PSRR.

在低負(fù)載電流下(通常小于50 mA)，調(diào)整元件的輸出阻抗很高。由于控制環(huán)路的負(fù)反饋，LDO輸出似乎是理想的電流源。輸出電容和調(diào)整元件形成的極點(diǎn)導(dǎo)致輸出阻抗出現(xiàn)在相對(duì)較低的頻率，并且往往會(huì)提高低頻時(shí)的PSRR.低電流時(shí)輸出級(jí)的高直流增益往往也會(huì)提高誤差放大器單位增益點(diǎn)以下頻率時(shí)的PSRR.

在重負(fù)載電流下，LDO輸出不太像是一個(gè)理想電流源，調(diào)整元件的輸出阻抗相對(duì)較低，導(dǎo)致輸出級(jí)的增益降低。輸出級(jí)增益的下降使得直流到反饋環(huán)路單位增益頻率范圍內(nèi)的PSRR降低。圖11顯示直流增益隨著負(fù)載電流的降低而顯著下降。從200 mA到100 mA,ADP151的直流增益下降超過(guò)20 dB.

輸出級(jí)帶寬因?yàn)檩敵鰳O點(diǎn)頻率的提高而提高。在高頻時(shí)，PSSR似乎應(yīng)當(dāng)隨著環(huán)路帶寬的提高而提高，但實(shí)際上，由于總環(huán)路增益的降低，高頻PSRR可能沒(méi)有提高。一般而言，輕負(fù)載時(shí)的PSRR優(yōu)于重負(fù)載時(shí)的PSRR.

圖11. 典型LDO PSRR與負(fù)載電流的關(guān)系(ADP151)

PSRR與LDO裕量的關(guān)系

LDO的PSRR也與輸入到輸出的壓差或裕量有關(guān)。對(duì)于固定裕量電壓，PSRR隨著負(fù)載電流的提高而降低，這在重負(fù)載電流和小裕量電壓時(shí)尤其明顯。圖12顯示了2.8 V輸出ADP151在200 mA負(fù)載、500 mV和1 V裕量下的PSRR差異。

隨著負(fù)載電流提高，調(diào)整元件(ADP151的P-MOSFET)脫離飽和狀態(tài)，進(jìn)入三極工作區(qū)，其增益相應(yīng)地降低，這導(dǎo)致LDO的總環(huán)路增益降低，因而PSRR下降。裕量越小，則增益降幅越大。在某些小裕量電壓，控制環(huán)路根本沒(méi)有增益，PSRR降至0.

圖12. 典型LDO PSRR與裕量的關(guān)系(ADP151)。

降低環(huán)路增益的另一個(gè)因素是調(diào)整元件具有一個(gè)非零電阻，或稱RDSON.RDSON包括MOSFET導(dǎo)通電阻、片內(nèi)互連電阻和線焊電阻。RDSON通過(guò)LDO的壓差電壓估算。例如，WLCSP封裝的ADP151在200 mA負(fù)載下的最差情況壓差電壓為200 mV,這意味著RDSON約為1.0Ω 。圖13顯示了調(diào)整元件和RDSON的簡(jiǎn)化原理圖。

圖13. 簡(jiǎn)化的LDO顯示調(diào)整元件電阻

負(fù)載電流引起的RDSON上的任何壓降都會(huì)導(dǎo)致調(diào)整元件有效部分的裕量降低相應(yīng)的量。例如，如果調(diào)整元件是一個(gè)1 器件，負(fù)載電流為200 mA,則裕量將降低200 mV.當(dāng)LDO在1 V或更低的裕量電壓下工作時(shí)，估算LDO PSRR時(shí)必須考慮此壓降。

改善PSRR

在既定的負(fù)載電流下，LDO的PSRR可以通過(guò)多種方式加以改善：

●讓LDO在至少1 V的裕量下工作。某些LDO,如ADP151等，能夠在低至500 mV的裕量下很好地工作。

●使用最大負(fù)載電流額定值至少比預(yù)期負(fù)載大1.5倍的LDO.

●在LDO的輸入端或輸出端增加外部濾波。

●如果裕量足夠，級(jí)聯(lián)兩個(gè)或更多LDO.

增加外部濾波以提高PSRR

增加外部濾波可以大大改善LDO電路的PSRR,但是，其代價(jià)是電路更復(fù)雜，并且裕量和效率會(huì)降低。根據(jù)應(yīng)用不同，可以將額外濾波添加到LDO的輸入端(前置濾波)或輸出端(后置濾波)。

后置濾波常常用于LDO輸出端存在顯著低頻噪聲的場(chǎng)合，如ADP151等現(xiàn)代低噪聲LDO不再需要后置濾波。后置濾波的缺點(diǎn)是濾波器電感的電阻會(huì)引起額外的負(fù)載調(diào)整誤差。

當(dāng)必須抑制高頻噪聲時(shí)，如開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波等，增加前置濾波更合適，而且它不會(huì)影響負(fù)載調(diào)整。

圖14顯示一個(gè)LDO電路同時(shí)采用前置濾波和后置濾波，然而，通常情況下僅使用一個(gè)外部濾波器。

圖14. 采用外部前置濾波和后置濾波的LDO

濾波器的主要元件是LF和CF,用于設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。CD和RD消除LF和CF的諧振。CIN和COUT是用于LDO的典型輸入和輸出電容，但CIN不是必需的。

CF、LF、CD和RD的值可以通過(guò)以下方程式來(lái)確定：

例如，假設(shè)必須將一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的1 MHz紋波降低至少30 dB,100 kHz至200 kHz的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)當(dāng)足夠。

根據(jù)方程式9,假設(shè)CF = 1μF、LF = 1μH,則fC = 160 kHz.

根據(jù)方程式10,CD = 10μF;根據(jù)方程式11,RD = 1Ω。

圖15顯示了示例濾波器的響應(yīng)。1 MHz時(shí)的衰減約為33 dB,最大峰化約為0.7 dB(81 kHz時(shí))。

電感LF的直流電阻應(yīng)盡可能低，以使裕量降幅最小(對(duì)于后置濾波器，則使負(fù)載調(diào)整誤差最小)。電感的飽和電流也必須至少像電路的最大預(yù)期負(fù)載電流一樣高。

圖15. 示例紋波濾波器的響應(yīng)

級(jí)聯(lián)多個(gè)LDO以提高PSRR

在裕量充足的應(yīng)用中，級(jí)聯(lián)多個(gè)LDO(如ADP151等)可以大大提高PSRR,同時(shí)保持ADP151的低輸出噪聲特性。圖16顯示兩個(gè)級(jí)聯(lián)LDO的原理圖。旁路電容CIN、COUT和CO等于ADP151數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦值，即1μF.

圖16. 級(jí)聯(lián)LDO

所選的LDO1輸出確保LDO2上的裕量至少為500 mV.為獲得最佳性能，LDO1上的裕量至少也應(yīng)為500 mV.圖17比較了一個(gè)1.8 V ADP151與兩個(gè)級(jí)聯(lián)ADP151的PSRR.兩種情況下的負(fù)載電流和裕量均分別為200 mA和1 V.從圖17可以清楚地看出，級(jí)聯(lián)兩個(gè)LDO可以將寬頻率范圍內(nèi)的PSRR提高多達(dá)30 dB.

圖17. 一個(gè)LDO和級(jí)聯(lián)LDO的PSRR

比較LDO PSRR指標(biāo)

比較LDO的PSRR指標(biāo)時(shí)，應(yīng)確保測(cè)量是在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行。許多舊式LDO僅說(shuō)明120 Hz或1 kHz時(shí)的PSRR,而未提及裕量電壓或負(fù)載電流。至少電氣技術(shù)規(guī)格表中的PSRR應(yīng)針對(duì)不同的頻率列出。為使比較有意義，最好應(yīng)使用不同負(fù)載和裕量電壓下的PSRR典型工作性能曲線。

輸出電容也會(huì)影響高頻時(shí)的LDO PSRR.例如，1 μF電容的阻抗是10μF電容的10倍。在頻率高于誤差放大器的0 dB交越頻率時(shí)，電源噪聲的衰減與輸出電容有關(guān)，此時(shí)的容值特別重要。比較PSRR數(shù)值時(shí)，輸出電容的類型和值必須相同，否則比較無(wú)效。

LDO總噪聲

內(nèi)部噪聲和PSRR均構(gòu)成LDO總輸出噪聲的一部分。根據(jù)應(yīng)用不同，內(nèi)部噪聲和PSRR二者之一的貢獻(xiàn)可能很重要，或者二者的貢獻(xiàn)均很重要。當(dāng)PSRR和內(nèi)生噪聲對(duì)應(yīng)用的整體性能均有影響時(shí)，就無(wú)法應(yīng)用噪聲的單一數(shù)值。

一個(gè)典型應(yīng)用是利用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為RF PLL供電。為了抑制來(lái)自開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的紋波，輸出通過(guò)一個(gè)LDO進(jìn)行調(diào)節(jié)。

LDO的內(nèi)部噪聲會(huì)輕微調(diào)制PLL的電源，從而在PLL的輸出端引起相位噪聲。PLL的相位噪聲由VCO頻率偏移引起，與電源電壓有關(guān)，表示為△f/△V,常常稱為VCO的推移增益。

LDO的PSRR可以降低開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在LDO單位增益頻率以下的噪聲。超出LDO的單位增益頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器噪聲由LDO輸出電容或LDO之后的無(wú)源濾波進(jìn)行衰減。未經(jīng)充分衰減的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器頻率諧波表現(xiàn)為PLL頻率任一端上的雜散。

結(jié)束語(yǔ)

一般而言，LDO噪聲包括兩部分：內(nèi)部或內(nèi)生噪聲以及外部或外生噪聲。

熱噪聲和1/f噪聲是主要的內(nèi)生噪聲源，與LDO的設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體技術(shù)有關(guān)。

外部噪聲有許多來(lái)源，但最常見(jiàn)的是LDO輸入電源的噪聲。

由于LDO具有高增益以確保良好的線路和負(fù)載調(diào)整性能，因此它能夠衰減來(lái)自輸入電源的噪聲和紋波，這就是LDO的PSRR.LDO的帶寬有限，因此其PSRR隨著頻率提高而降低。LDO帶寬之外的噪聲無(wú)法通過(guò)LDO本身進(jìn)行衰減，可以利用無(wú)源濾波器來(lái)降低。