【導(dǎo)讀】此應(yīng)用報(bào)告說(shuō)明了 LDO 的噪聲與 PSRR 之間的差異，還說(shuō)明了 LDO 數(shù)據(jù)表中噪聲的不同規(guī)定方式以及在應(yīng)用中應(yīng)采用的噪聲規(guī)格，最后說(shuō)明了降低 LDO 噪聲的方法。
1 LDO 噪聲和 PSRR
低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器 (LDO) 為調(diào)節(jié)由較高電壓輸入產(chǎn)生的輸出電壓提供了一種簡(jiǎn)單方法。雖然操作簡(jiǎn)單，但其自生噪聲在很多時(shí)候易與電源抑制比 (PSRR) 混淆。這兩者在很多情況下統(tǒng)稱(chēng)為“噪聲”，這是不恰當(dāng)?shù)?。噪聲是由LDO 內(nèi)部電路中的晶體管和電阻器以及外部元件產(chǎn)生的。噪聲類(lèi)型有熱噪聲、閃爍噪聲和散粒噪聲。PSRR 可以衡量一個(gè)電路的電源抑制能力，表示為輸出噪聲與電源輸入噪聲的比值。它可測(cè)量電路在各種頻率下對(duì)輸入電源注入紋波的抑制能力。在 LDO 中，PSRR 是在寬頻率范圍內(nèi)輸出紋波與輸入紋波之比，單位為分貝 (dB)。PSRR的基本公式為方程式 1：
圖 1-1 說(shuō)明了噪聲和 PSRR 之間的差異。LDO 噪聲包括內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而 PSRR 是 LDO 的一個(gè)內(nèi)部參數(shù)。LDO 用戶(hù)通常專(zhuān)注于 PSRR 而不是自生的輸出噪聲。PSRR 可抑制來(lái)自 LDO 外部的噪聲，但 LDO 內(nèi)部始終會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，具有高 PSRR 的 LDO 可能不會(huì)很好地抑制內(nèi)部噪聲。用戶(hù)應(yīng)始終考慮這兩個(gè)參數(shù)。
圖 1-1. LDO 的 PSRR 和噪聲
2 LDO 噪聲類(lèi)型
噪聲是晶體管和電阻器內(nèi)產(chǎn)生的純物理現(xiàn)象。晶體管會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲和閃爍噪聲。MOSFET 的電阻元件（如電阻器）也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。熱噪聲和散粒噪聲本質(zhì)上是隨機(jī)的，其功率在頻譜上是平坦的。在放大器帶寬范圍內(nèi)，功率都是平坦的。MOSFET 柵極上的電荷被捕獲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生閃爍噪聲。散粒噪聲符合泊松分布，而 1/f 噪聲（閃爍噪聲）的功率與頻率成反比，即頻率越低，噪聲越高。1/f 噪聲是系統(tǒng)的主要噪聲來(lái)源，僅次于熱噪聲。（請(qǐng)參閱圖 2-1）
圖 2-1. LDO 噪聲（類(lèi)型）
3 LDO 數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格
通常，數(shù)據(jù)表規(guī)定 LDO 噪聲的方式有兩種。一種是“總（積分）輸出噪聲，以 μVrms 為單位”，即在有限頻率范圍內(nèi)積分的頻譜噪聲密度 RMS 值。第二種是“頻譜噪聲密度曲線(xiàn)，以 μV/√Hz 為單位”，即噪聲密度與頻率的關(guān)系圖。 圖 3-1 顯示了 TPS717xx 系列 LDO 的兩種規(guī)格。
圖 3-1. 噪聲的兩種規(guī)定方式 (TPS717xx LDO)
由于輸出噪聲電壓規(guī)定為單個(gè)數(shù)字，因此非常適合用于比較。比較不同 LDO 的噪聲規(guī)格時(shí)，必須在相同的頻率范圍內(nèi)以及相同的輸出電壓和電流值下測(cè)量?jī)蓚€(gè)穩(wěn)壓器的噪聲。
4 哪種規(guī)格適合您的應(yīng)用？
用戶(hù)應(yīng)該了解具體應(yīng)用需要哪種 LDO 噪聲規(guī)格，因?yàn)橛行?yīng)用與頻譜噪聲密度相關(guān)，而某些應(yīng)用可以利用總（積分）噪聲。以下示例對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。
1. 考慮一個(gè)射頻系統(tǒng)中 LDO 為壓控振蕩器 (VCO) 供電的例子。VCO 接收兩個(gè)輸入信號(hào)并將其混合為一個(gè)信號(hào)。如果兩個(gè)信號(hào)為 sin(ω1t) 和 sin(ω2)t，則混合后輸出 sin((ω1–ω2)t)、sin((ω1+ω2)t) 和諧波信號(hào)。射頻信號(hào)鏈通過(guò) VCO 后，一般會(huì)進(jìn)入僅針對(duì)一種頻率調(diào)優(yōu)的帶通系統(tǒng)，即信號(hào)混合后，只有較高頻率的信號(hào)不會(huì)通過(guò)。大多數(shù)寬帶應(yīng)用都對(duì)每個(gè)頻帶的頻譜和功率進(jìn)行非常嚴(yán)格地調(diào)節(jié)。任何頻帶的寄生噪聲均須通過(guò)控制來(lái)滿(mǎn)足所謂的“傳輸掩模”要求。傳輸掩模對(duì)于最終產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)認(rèn)證而言非常重要。本底噪聲在較高頻率下產(chǎn)生的任何峰值，都可能導(dǎo)致傳輸信號(hào)超出傳輸掩模范圍，從而無(wú)法通過(guò)認(rèn)證測(cè)試。
如果供電導(dǎo)體或 LDO 輸出中出現(xiàn)噪聲，在 FR 頻率下的這一噪聲與載波頻率信號(hào)混合后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)邊帶，如圖 4-1 所示。噪聲太高時(shí)，會(huì)使因噪聲而產(chǎn)生的邊帶超出傳輸掩模范圍，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
圖 4-1. 傳輸掩模和因噪聲產(chǎn)生的邊帶
同樣，假設(shè)射頻系統(tǒng)在 2.4GHz 頻率下工作，那么 LDO 噪聲會(huì)將 2.4GHz 上下的 VCO 噪聲頻譜提高至 LDO帶寬。在 VCO 原始噪聲圖中加入圖 2-1 所示的 LDO 噪聲后，中心頻率附近的 VCO 本底噪聲等級(jí)提高。
圖 4-2. LDO 噪聲提高了 VCO 本底噪聲
因此，在射頻應(yīng)用中，用戶(hù)應(yīng)使用頻譜噪聲密度曲線(xiàn)。因?yàn)閱我辉肼暉o(wú)頻率相關(guān)性，不會(huì)準(zhǔn)確地表示最終輸出。
2. 假設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)中 LDO 為 ADC 或 DAC 供電。任何采樣系統(tǒng)由于混疊現(xiàn)象都會(huì)使高頻噪聲的頻率降低。例如，如果采樣頻率為 100kHz，LDO 產(chǎn)生的噪聲為 90kHz 和 110kHz、190kHz 和 210kHz 等，則所有噪聲將折返至拍頻 10kHz。任何頻率的輸出噪聲都會(huì)出現(xiàn)這種情況，因此所有 LDO 噪聲都會(huì)折返至采樣系統(tǒng)的帶寬范圍內(nèi)。這相當(dāng)于對(duì)系統(tǒng)的直流噪聲到帶寬噪聲進(jìn)行積分，然后計(jì)算總噪聲。LDO 的總（積分）噪聲較高時(shí)，會(huì)影響 ADC/DAC 的性能。 圖 4-3 下面顯示了 LDO 噪聲混疊是如何發(fā)生的。第一個(gè)圖是由理想 LDO 供電的系統(tǒng)，第二個(gè)圖是由具有熱噪聲的 LDO 供電的系統(tǒng)（熱噪聲使本底噪聲增加），第三個(gè)圖是由具有高頻噪聲的 LDO 供電的系統(tǒng)（因混疊現(xiàn)象使頻率降低）。
圖 4-3. LDO 噪聲混疊
由于系統(tǒng)會(huì)使所有噪聲的頻率降低，并對(duì)噪聲進(jìn)行積分，因此，用戶(hù)在此應(yīng)用中應(yīng)使用總（積分）輸出噪聲。
5 如何降低 LDO 噪聲？
LDO 中的主要噪聲源來(lái)自帶隙基準(zhǔn)源?？墒褂脙煞N方法來(lái)降低 LDO 中的噪聲。下面內(nèi)容詳細(xì)說(shuō)明了這兩種方法。
降低噪聲的一種方法是降低 LDO 帶寬，這可以通過(guò)降低 LDO 內(nèi)部誤差放大器的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，如果我們降低誤差放大器的帶寬，則會(huì)降低 LDO 瞬態(tài)響應(yīng)速度。
另一種方法是使用低通濾波器 (LPF)。我們知道，LDO 噪聲的最主要來(lái)源是內(nèi)部的帶隙基準(zhǔn)源。因此，我們可在帶隙輸出和誤差放大器輸入之間插入一個(gè) LPF，從而在誤差放大器將帶隙噪聲放大之前將其降低。通常，該 LPF由一個(gè)內(nèi)部大電阻器和一個(gè)外部電容器組成。此濾波器的截止頻率設(shè)置得越低越好，從而濾除幾乎所有的帶隙噪聲。
這里始終有一個(gè)問(wèn)題：為什么占用大部分芯片面積的大功率導(dǎo)通元件（主要是 FET）不是主要噪聲源？答案是沒(méi)有增益。作為主要噪聲源的帶隙基準(zhǔn)源連接至誤差放大器的輸入端，因此會(huì)被誤差放大器的增益放大。我們知道，要研究輸出噪聲，首先要了解運(yùn)算放大器輸入的每個(gè)噪聲影響因素；所以，要研究導(dǎo)通 FET 的噪聲，需要先找到噪聲的影響因素，即導(dǎo)通 FET 和誤差放大器輸入之間的開(kāi)環(huán)增益。開(kāi)環(huán)增益非常大，因此，導(dǎo)通 FET 的其他噪聲影響因素通?？梢院雎圆挥?jì)。
總之，LDO 噪聲和 PSRR 都是選擇 LDO 時(shí)需要考慮的重要規(guī)格。這里有兩種 LDO 噪聲的規(guī)定方式，用戶(hù)應(yīng)查找適合其應(yīng)用的規(guī)格。
6 LDO 噪聲的影響
我們以具有集成 LDO（如 TPS57140-Q1）的直流/直流轉(zhuǎn)換器為例說(shuō)明。
LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。在直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入端施加快速下降的輸入瞬態(tài)時(shí)，帶隙噪聲會(huì)產(chǎn)生不良影響。在輸入的快速下降沿期間，如果輸入的壓擺率高于特定值，直流/直流轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部 LDO 穩(wěn)壓器由于電源抑制比 (PSRR) 的限制，會(huì)發(fā)生復(fù)位。頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。例如，使用 TPS57140-Q1 設(shè)計(jì)仿真和基準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量時(shí)，測(cè)得的壓擺率值為1.2V/μs。如果壓擺率高于此值，該器件將被禁用并重新進(jìn)行軟啟動(dòng)。根據(jù) ESR × C × dV/dt，在通過(guò) ESR 的瞬態(tài)電流越來(lái)越高的情況下，輸入電容器的 ESR 越高，越會(huì)對(duì)輸入電壓的壓擺率和轉(zhuǎn)換持續(xù)時(shí)間造成不利影響。因此，推薦使用低 ESR 陶瓷電容器。
參閱《直流/直流轉(zhuǎn)換器在快速輸入壓擺率應(yīng)用中的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)》 (SLVA693)，了解更多信息
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