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?1、前言

要獲得干凈的直流電源，使用低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 過濾由開關(guān)模式電源生成的紋波電壓并不是需要考量的唯一事項(xiàng)。由于 LDO 為電子器件，它們本身會產(chǎn)生一定量的噪聲。要生成不會影響系統(tǒng)性能的干凈電源軌，選擇低噪聲 LDO 并采取措施降低內(nèi)部噪聲是不可缺少的環(huán)節(jié)。

2、識別噪聲

理想的 LDO 將生成沒有交流元件的電壓軌。可惜的是，LDO 本身也會向其他電子器件一樣產(chǎn)生噪聲。圖 1 所示為這種噪聲在時(shí)域中的表現(xiàn)。

圖 1：含噪聲電源的示波器截圖

在時(shí)域中執(zhí)行分析十分困難。因此，可通過兩種主要方法來查看噪聲：跨頻率查看噪聲和查看積分值形式的噪聲?？梢允褂妙l譜分析儀識別 LDO 輸出端各種交流元件產(chǎn)生的 噪聲。圖 2 繪制了 1A 低噪聲 LDO（即 TPS7A91）的輸出噪聲。從不同曲線中可以看到，輸出噪聲（以每平方根赫茲的微伏數(shù)表示 [μV/Hz]）集中在頻譜的低頻端。此噪聲主要來自內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，但也有一部分來自誤差放大器、場效應(yīng)晶體管 (FET) 和電阻分壓器?？珙l率查看輸出噪聲有助于確定所關(guān)注頻率范圍的噪聲分布。例如，音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)師關(guān)注的是人耳的可聞?lì)l率（20Hz 到 20kHz），在此范圍內(nèi)，電源噪聲可能會降低聲音質(zhì)量。

圖 2：TPS7A91 的噪聲頻譜密度與頻率和 VOUT 的關(guān)系

數(shù)據(jù)表一般會提供單一的積分噪聲值以與其他產(chǎn)品進(jìn)行對比。輸出噪聲的積分范圍通常為 10Hz 到 100kHz，并以微伏均方根值 (μVRMS) 表示。（供應(yīng)商還會在 100Hz 到 100kHz 范圍內(nèi)甚至是自定義頻率范圍內(nèi)對噪聲進(jìn)行積分。在選定頻率范圍內(nèi)積分有助于屏蔽不希望的噪聲屬性，因此，除了查看積分噪聲值之后，務(wù)必要查看噪聲曲線。）圖 2 顯示了與各種曲線對應(yīng)的積分噪聲值。德州儀器 (TI) 提供 LDO 的產(chǎn)品組合，其積分噪聲值可低至 3.8μVRMS。

3、降噪

除了選擇具有低噪聲特性的 LDO，還可以應(yīng)用一些技術(shù)來確保 LDO 具有最低的噪聲特性。這些技術(shù)涉及到降噪電容器和前饋電容器的使用。

3.1 降噪電容器

TI 產(chǎn)品組合中的許多低噪聲 LDO 都具有名為“NR/SS”的特殊引腳，如圖 3 所示。

圖 3：具有 NR/SS 引腳的 N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體 (NMOS) LDO

此引腳具有雙重功能：可用于過濾內(nèi)部電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生的噪聲并能降低 LDO 啟動或使能期間的轉(zhuǎn)換率。在此引腳上添加電容器 (CNR/SS) 將形成具有內(nèi)部電阻的阻容 (RC) 濾波器，幫助分流由電壓基準(zhǔn)生成的不需要的噪聲。由于電壓基準(zhǔn)是生成噪聲的主要因素，增大電容有助于將此低通濾波器的截止頻率左移。圖 4 顯示了此電容器對輸出噪聲產(chǎn)生的影響。

圖 4：TPS7A91 的噪聲頻譜密度與頻率和 CNR/SS 的關(guān)系

如圖 4 所示，CNR/SS 的值越大，降噪效果越好。但是，在某些點(diǎn)上，增大電容不會再降低噪聲。其余噪聲來自誤差放大器、FET 等。添加電容器還會在啟動期間引入 RC 延遲，導(dǎo)致輸出電壓以較慢的速率斜升。當(dāng)輸出端或負(fù)載上存在大容量電容并且需要減小浪涌電流時(shí)，此方法十分有利。公式 1 將浪涌電流表示為：

公式 1  Iinrush = (COUT + CLOAD) dV/dt

為減小浪涌電流，必須降低輸出電容或轉(zhuǎn)換率。幸運(yùn)的是，使用 CNR/SS 可降低轉(zhuǎn)換率，如圖 5 中的 TPS7A85 啟動特性所示。

圖 5：TPS7A85 啟動時(shí)的電壓與 CNR/SS 的關(guān)系

如圖所示，增大 CNR/SS 值會延長啟動時(shí)間，從而防止浪涌電流出現(xiàn)尖峰，并且可能會觸發(fā)電流限制事件。降低輸出噪聲的另一個(gè)方法是使用前饋電容器 (CFF)。

3.2 前饋電容器

前饋電容器是與電阻分壓器的頂部電阻并聯(lián)放置的可選電容器，如圖 6 所示。

圖 6：使用前饋電容器的 NMOS LDO

與添加降噪電容器 (CNR/SS) 非常類似，添加前饋電容器也會產(chǎn)生多種效果。其中最重要的一項(xiàng)是能夠改善噪聲性能、穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)和電源抑制比 (PSRR)。此外，值得注意的是，使用前饋電容器只有在使用可調(diào) LDO 時(shí)才可行，因?yàn)殡娮杈W(wǎng)絡(luò)位于外部。

4、改善噪聲性能

在穩(wěn)壓過程中，LDO 的誤差放大器使用電阻網(wǎng)絡(luò)（R1 和 R2）提高基準(zhǔn)電壓的增益（與同相放大器非常類似），以便相應(yīng)地驅(qū)動 FET 的柵極?；鶞?zhǔn)的直流電壓將按因數(shù) 1+R1/R2 增大。但是，考慮到誤差放大器的帶寬，可以預(yù)計(jì)在基準(zhǔn)電壓交流元件的某些部分也會放大。通過與頂部電阻并聯(lián)放置電容器，將為特定頻率范圍引入分流功能。換句話說，可以將該頻率范圍內(nèi)的交流元件保持在單位增益范圍內(nèi)，其中 R1 模擬短路。（請記住，該頻率范圍將由所使用的電容器的阻抗特性確定。）從圖 7 可以看出，通過使用不同的 CFF 值，可以降低 TPS7A91 的噪聲。與頂部電阻并聯(lián)放置 100nF 電容器后，可以將噪聲從 9μVRMS 降至 4.9μVRMS。

圖 7：TPS7A91 噪聲與頻率和 CFF 值的關(guān)系

5、改善穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)

添加 CFF 還會在 LDO 反饋回路中引入零點(diǎn) (ZFF) 和極點(diǎn) (PFF)，可分別通過公式 2 和 公式 3 進(jìn)行計(jì)算：

公式 2 ：ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF )

公式 3：PFF = 1 / (2 x π x R1 // R 2 x CFF )

將零點(diǎn)置于出現(xiàn)單位增益的頻率之前可以提高相位裕度，如圖 8 所示。

圖 8：僅使用前饋補(bǔ)償?shù)牡湫?LDO 的增益/相位圖

從圖中可以看到，沒有 ZFF 時(shí)，單位增益將提前在 200kHz 左右出現(xiàn)。增加零點(diǎn)后，出現(xiàn)單位增益的頻率略微右移（約 300kHz），相位裕度也有所提高。由于 PFF 位于單位增益頻率的右側(cè)，因此它對相位裕度的影響微乎其微。增加的相位裕度在 LDO 改善的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中非常明顯。通過增加相位裕度，LDO 輸出將減少振鈴并更快穩(wěn)定。

6、提高 PSRR

根據(jù)零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置，還可以從策略上縮減增益衰減幅度。圖 8 顯示了從 100kHz 開始零點(diǎn)對增益衰減的影響。通過增大頻段的增益，還能夠改善該頻段的環(huán)路響應(yīng)，從而使該特定頻率范圍的 PSRR 提高。請參見圖 9。

圖 9：TPS7A8300 PSRR 與頻率和 CFF 值的關(guān)系

如圖所示，增大 CFF 電容會使零點(diǎn)左移，從而在較低頻率范圍內(nèi)改善環(huán)路響應(yīng)和相應(yīng)的 PSRR。當(dāng)然，必須選擇 CFF 的值以及 ZFF 和 PFF 的相應(yīng)位置，以確保穩(wěn)定性。遵循數(shù)據(jù)表中規(guī)定的 CFF 限制，可以防止出現(xiàn)不穩(wěn)定性。表 1 列出了一些經(jīng)驗(yàn)法則，展示了 CNR 和 CFF 對噪聲的影響程度。

從表中可以看出，添加前饋電容器可以改善噪聲性能、穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)和 PSRR。當(dāng)然，必須慎重選擇電容器以保持穩(wěn)定性。當(dāng)與降噪電容器配合使用時(shí)，可以大大改善交流性能。本文僅僅介紹了需要牢記的一些方法，可以幫助用戶優(yōu)化電源。