可調(diào)節(jié)輸出低壓差穩(wěn)壓器的降噪網(wǎng)絡

作者：Glenn Morita

簡介

低壓差穩(wěn)壓器(LDO)可用來為高速時鐘、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。噪聲對于高性能模擬電路的設計人員而言極為重要。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。本文通過實驗數(shù)據(jù)來演示這一簡單方法的有效性。雖然RC網(wǎng)絡的主要目的是降噪，但它也能改善電源抑制和負載瞬態(tài)響應。

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和基準電壓噪聲VRN放大相同的倍數(shù)，使輸出噪聲與設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)部基準電壓和誤差放大器。當今的器件工作時內(nèi)部偏置電流為幾百nA或更低，可實現(xiàn)高達 15 μA的靜態(tài)電流。這些小電流需要使用高達 1 GΩ的偏置電阻，使得誤差放大器和基準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電壓。事實上，許多所謂的超低噪聲LDO都需要使用外部降噪電容來實現(xiàn)其低噪聲性能。這項技術(shù)的缺點是誤差放大器噪聲和任何殘留的基準電壓噪聲依然會通過交流閉環(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，這對于固定輸出LDO而言是不可行的，因為反饋節(jié)點不易獲得。然而幸運的是，該節(jié)點在可調(diào)節(jié)輸出LDO中容易獲得。

圖 2 顯示的是一個可調(diào)節(jié)輸出LDO，其中R1 和R2 設置輸出電壓。由R3 和C1 構(gòu)成的網(wǎng)絡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 將低頻零點設為 10 Hz以下。

圖 3 將交流閉環(huán)增益（其降噪網(wǎng)絡經(jīng)過適當設計）與開環(huán)增益以及未經(jīng)過修改的閉環(huán)增益進行比較。采用降噪網(wǎng)絡后，在大部分帶寬中交流增益接近單位增益，因此基準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)絡對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)絡時，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 組成的零點之上，采用降噪網(wǎng)絡的噪聲特性與單位增益時基本相同。噪聲譜密度曲線在 20 kHz以上融合，這是因為誤差放大器的閉環(huán)增益與開環(huán)增益相交，無法進一步降低噪聲增益。

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（噪聲和紋波），使這些干擾信號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。

對于大部分模擬電路，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)壓輸出提供負載電流。

改善 PSR

使用降噪網(wǎng)絡降低可調(diào)節(jié)輸出LDO輸出噪聲還有另一個優(yōu)勢，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，其零點大致在 1/(R1 × C1)處，極點大致在 1/(R3 × C1)處。超前-滯后網(wǎng)絡為補償環(huán)路提供正饋功能，因此能改善PSR。對于低于閉環(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)絡對可調(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時建立的零點證明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)負載改善

降噪網(wǎng)絡還能改善LDO的瞬態(tài)負載響應。同樣，R1、R3 和C1執(zhí)行補償環(huán)路的前饋功能。負載瞬態(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負載瞬態(tài)。圖 6 顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡時的ADP125 負載瞬態(tài)響應情況。使用降噪網(wǎng)絡后，LDO能在 50 μs內(nèi)響應負載瞬態(tài)，而不使用降噪網(wǎng)絡時為 500 μs。

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

對啟動時間的影響

降噪網(wǎng)絡的一個缺點是它會極大地增加啟動時間。圖 7 顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡時的ADP125 啟動時間。正常啟動時間約為 600 μs。若C1 = 10 nF，則啟動時間增至 6 ms；若C1 = 1 μF，則增至 600 ms。對于電路完全上電后不再開關(guān)LDO的應用而言，啟動時間增加應該不是問題。

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

結(jié)論

通過添加一個簡單的RC降噪網(wǎng)絡，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)等噪聲敏感型應用帶來極大的優(yōu)勢。

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——不會得益于此降噪網(wǎng)絡，因為該架構(gòu)采用單位增益LDO誤差放大器，所以基準電壓等于輸出電壓。此外，內(nèi)部基準電壓濾波器極點低于 1 Hz，可極大地過濾基準電壓，并消除幾乎全部基準電壓噪聲影響。

參考文獻

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

Morita, Glenn. AN-1120 應用筆記；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電氣工程學士(BSEE)學位。畢業(yè)后加入Texas Instruments公司，期間參與研制旅行者號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)的裝置設計工作。2007 年，他加入ADI公司，成為華盛頓州貝爾維尤電源管理產(chǎn)品團隊的一名應用工程師。他擁有 25 年以上的線性和開關(guān)模式電源設計經(jīng)驗，所設計電源的功率范圍從微瓦到千瓦不等。Glenn擁有兩項利用體熱能量給植入式心臟除顫器供電方面的專利，以及另外一項延長外部心臟除顫器電池使用壽命的專利。閑暇時，他喜歡收集礦石、雕琢寶石、攝影和逛國家公園。

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