如何使用前饋電容器降低輸出噪聲

在前天 LDO 基礎(chǔ)知識(shí)：噪聲 - 降噪引腳如何提高系統(tǒng)性能一文中，我們討論了如何使用與基準(zhǔn)電壓 （CNR/SS） 并聯(lián)的電容器降低輸出噪聲和控制壓擺率。在本文中，我們將討論降低輸出噪聲的另一種方法：使用前饋電容器 （CFF）。

什么是前饋電容器？

前饋電容器是與電阻分壓器頂部電阻并聯(lián)的可選電容器，如圖 1 所示。

圖 1：使用前饋電容器的低壓降穩(wěn)壓器 （LDO）

類(lèi)似于降噪電容器 （CNR/SS），添加前饋電容器具有多種影響。這些影響包括改善噪聲、穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)和電源抑制比 （PSRR）。應(yīng)用報(bào)告“使用前饋電容器和低壓降穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點(diǎn)”詳細(xì)介紹了這些優(yōu)點(diǎn)。另外，還值得注意的是，前饋電容器僅在使用可調(diào) LDO 時(shí)才可行，因?yàn)?a target="_blank">電阻器網(wǎng)絡(luò)是外部的。

改善噪聲

作為電壓調(diào)節(jié)控制環(huán)路的一部分，LDO 的誤差放大器使用電阻器網(wǎng)絡(luò)（R1 和 R2）來(lái)提高基準(zhǔn)電壓的增益，類(lèi)似于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極的同相放大器電路，以使 VOUT = VREF × （1 + R1/R2）。這種增加意味著基準(zhǔn)的直流電壓將按 1 + R1/R2 系數(shù)提高。在誤差放大器的帶寬內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的交流元件（例如噪聲）也會(huì)被放大。

通過(guò)在頂部電阻器 （CFF） 上添加電容器，會(huì)為特定頻率范圍引入交流分流器。換句話說(shuō)，該頻率范圍中的交流元件會(huì)保持在單位增益范圍內(nèi)。請(qǐng)記住，您使用的電容器的阻抗特性將決定這個(gè)頻率范圍。

圖 2 演示了 TPS7A91 噪聲的減小（通過(guò)使用不同的 CFF 值）。

圖 2：TPS7A91 噪聲與頻率和 CFF 值的關(guān)系

通過(guò)在頂部電阻器上添加一個(gè) 100nF 電容器，您可將噪聲從 9μVRMS 降至 4.9μVRMS。

改進(jìn)穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)

添加 CFF 還會(huì)在 LDO 反饋環(huán)路中引入零點(diǎn) （ZFF） 和極點(diǎn) （PFF），使用公式 1 和 2 計(jì)算得出：

ZFF = 1 / （2 × π × R1 × CFF） （1）

PFF = 1 / （2 × π × R1 // R2 × CFF） （2）

將零點(diǎn)置于發(fā)生單位增益的頻率之前可提高相位裕度，如圖 3 所示。

圖 3：僅使用前饋補(bǔ)償?shù)牡湫?LDO 的增益/相位圖

您可以看到，如果沒(méi)有 ZFF，單位增益會(huì)更早出現(xiàn)，大約為 200kHz。通過(guò)添加零點(diǎn)，單位增益頻率在大約 300kHz 處略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于 PFF 位于單位增益頻率的右側(cè)，因此其對(duì)相位裕度的影響將是最小的。

在提高 LDO 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)后，額外的相位裕度將很明顯。通過(guò)增加相位裕度，LDO 輸出將出現(xiàn)較少的振鈴，穩(wěn)定速度會(huì)更快。

改善PSRR

根據(jù)零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置，您還可以戰(zhàn)略性地減少增益滾降。圖 3 顯示了零點(diǎn)對(duì)從 100kHz 開(kāi)始的增益滾降的影響。通過(guò)增加頻帶的增益，您還將改善該頻帶的環(huán)路響應(yīng)，從而使特定頻率范圍的 PSRR 得到改善。請(qǐng)參閱圖 4。

圖 4：TPS7A8300 PSRR 與頻率和 CFF 值間的關(guān)系

如您所見(jiàn)，增加 CFF 電容會(huì)將零點(diǎn)向左推，從而改善環(huán)路響應(yīng)和較低頻率范圍內(nèi)的相應(yīng) PSRR。

當(dāng)然，您必須選擇 CFF 的值以及 ZFF 和 PFF 的對(duì)應(yīng)位置，以避免導(dǎo)致不穩(wěn)定性。您可以通過(guò)遵循數(shù)據(jù)表中規(guī)定的 CFF 限制來(lái)避免不穩(wěn)定性，但我們通常建議選擇介于 10nF 和 100nF 之間的值。較大的 CFF 可能會(huì)帶來(lái)前面提到的優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用報(bào)告中概述的其他挑戰(zhàn)。

表 1 列出了一些關(guān)于 CNR 和 CFF 如何影響噪聲的經(jīng)驗(yàn)法則。

表 1：CNR 和 CFF 的優(yōu)勢(shì)與頻率間的關(guān)系

結(jié)語(yǔ)

添加前饋電容器可以改善噪聲、穩(wěn)定性、負(fù)載響應(yīng)和 PSRR。當(dāng)然，您必須仔細(xì)選擇電容器以保持穩(wěn)定性。與降噪電容器配合使用時(shí)，可以大大提高交流性能。這些只是優(yōu)化電源時(shí)需要牢記的一些工具。