低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于噪聲敏感型應(yīng)用已有數(shù)十年了。然而，隨著最新的精密傳感器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)以及頻率合成器(PLL/VCO)不斷向傳統(tǒng)的 LDO穩(wěn)壓器提出挑戰(zhàn)，以產(chǎn)生超低輸出噪聲和超高電源紋波抑制(PSRR)，噪聲要求變得越來越難以滿足。
有幾個因素決定了線性穩(wěn)壓器的PSRR。其中包括內(nèi)部控制環(huán)路的開環(huán)增益、誤差放大器的帶寬、單位增益頻率、輸出電流、輸出電容的有效串聯(lián)電阻(ESR)和溫度效應(yīng)。由于 LT3042 已經(jīng)包括一個內(nèi)部調(diào)整管并具有一個預(yù)先確定的調(diào)節(jié)環(huán)路，因此其中幾個參數(shù)已經(jīng)固定。我們能做的是調(diào)整PNP和NPN電路以優(yōu)化電路的性能。
例如，在為傳感器供電時，電源噪聲會直接影響測量結(jié)果的準確性。開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于配電系統(tǒng)，以實現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)效率。為了構(gòu)建低噪聲電源，LDO穩(wěn)壓器通常會對噪聲相對較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進行后級調(diào)節(jié)，而無需使用龐大的輸出濾波電容。LDO穩(wěn)壓器的高頻PSRR性能變得至關(guān)重要。
ADI推出的LT3042是業(yè)界首款在1MHz下僅有0.8μV rms輸出噪聲和79dB PSR的線性穩(wěn)壓器。兩款類似的器件LT3045和LT3045-1可提供更高的額定值和附加功能。所有這些器件都是正LDO穩(wěn)壓器。當系統(tǒng)具有雙極性器件 (例如運算放大器或ADC)時，必須在極性電源設(shè)計中使用負LDO穩(wěn)壓器。LT3094是首款具有超低輸出噪聲和超高PSRR的負LDO穩(wěn)壓器。表1列出了LT3094及相關(guān)器件的主要特性。
表 1. LT3094 和低噪聲 LDO 的特性
典型應(yīng)用
LT3094具有精密電流源基準，后接高性能輸出緩沖器。負輸出電壓可通過流過單個電阻的?100μA精密電流源進行設(shè)置。這種基于電流基準的架構(gòu)可提供寬輸出電壓范圍(0V至?19.5V)，并提供幾乎恒定的輸出噪聲、PSRR和負載調(diào)節(jié)，與設(shè)置的輸出電壓無關(guān)。圖1顯示了一個典型應(yīng)用，演示板如圖2所示。整體解決方案尺寸大約僅為10mm×10mm。
圖 1. ?3.3 V 輸出低噪聲解決方案。
圖 2. 演示電路顯示了一個 ?3.3 V 微型解決方案。
LT3094具有超低輸出噪聲，在10Hz至100kHz范圍內(nèi)為0.8μVrms，并且在1MHz時具有74dB超高PSRR。此外，LT3094具有可編程電流限制、可編程電源良好閾值、快速啟動功能和可編程輸入至輸出電壓控制 (VIOC)。當 LT3094對開關(guān)轉(zhuǎn)換器進行后級調(diào)節(jié)時，如果LDO穩(wěn)壓器輸出電壓可變，LDO穩(wěn)壓器兩端的電壓將通過VIOC功能保持恒定。
LT3094通過內(nèi)部保護功能避免器件損壞，包括具有折返功能的內(nèi)部限流、熱限制、反向電流和反向電壓保護。
直接并聯(lián)實現(xiàn)更高的電流
LT3094可以輕松并聯(lián)以增加輸出電流。圖3顯示了使用兩個并聯(lián)的 LT3094實現(xiàn)1A輸出電流的解決方案。為了使兩個器件并聯(lián)，將SET引腳連接在一起，并在SET引腳和地之間放置一個SET電阻RSET。流過RSET的電流為200μA，是單個器件中SET電流量的兩倍。為了獲得良好的均流特性，LT3094的每個輸出都使用一個20mΩ的小鎮(zhèn)流電阻。
圖 3. 兩個并聯(lián) LT3094 的原理圖。
圖4顯示了圖3中電路的熱性能，其中輸入電壓為?5V，輸出電壓為?3.3V，運行于1A負載電流下。每個器件的溫度大約升至50°C，表明熱量均勻分布。對于更高輸出電流和更低輸出噪聲，可以并聯(lián)的器件數(shù)量沒有限制。
圖 4. 兩個并聯(lián) LT3094 的熱圖像。
具有可變輸出電壓的正負雙電源
電源通常配置由LDO穩(wěn)壓器進行后級調(diào)節(jié)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)低輸出噪聲和高系統(tǒng)效率。為了在功耗和PSRR之間保持適當?shù)臋?quán)衡，LDO穩(wěn)壓器的輸入和輸出之間的優(yōu)化電壓差約為?1V。在可變輸出電壓系統(tǒng)中保持這種電壓差很復雜，但LT3094具有跟蹤功能VIOC，即使輸出電壓變化，它也能在LDO穩(wěn)壓器兩端保持電壓恒定。
圖5是使用LT8582、LT3045-1和LT3094的雙電源原理圖。LT8582是一款具有內(nèi)置開關(guān)的雙通道PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠從單個輸入產(chǎn)生正輸出和負輸出。LT8582的第一個通道配置為SEPIC用于產(chǎn)生正輸出，第二個通道是反相轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生負電源軌。在負電源軌中，LT3094兩端的電壓由VIOC電壓控制
圖 5. 可調(diào)節(jié)的雙輸出正/負電源具有高紋波抑制和低溫運行性能。
其中VFBX2為0mV，IFBX為83.3μA。將R2設(shè)置為14.7kΩ，則對于可變輸出電壓可將VIOC電壓設(shè)置為1.23V。電阻R1為133kΩ時，將LT3094的輸入電壓限制為16.5V，則計算如下：
電路在12V輸入下運行的熱圖像如圖6所示。當輸出電壓從±3.3V變化至 ±12V時，LT3094的溫升保持不變。表2列出了所有三款器件的電壓和電流。圖7顯示了在12V輸入下的±5V電源瞬態(tài)響應(yīng)。
圖 6. 12 V 輸入下的雙電源熱圖像。
圖 7. 12 V 輸入、±5 V 輸出下的雙電源瞬態(tài)響應(yīng)。
表 2. 12 V 輸入、±500 mA 負載下的雙輸出正/負電源的電路性能
圖5中，除了LT8582的輸出電容之外，在LT3094的輸入端未放置額外電容。通常，輸入電容會降低輸出紋波，但對LT3094來說并非如此。如果LT3094具有輸入電容，則開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流將流過輸入電容，從而導致開關(guān)轉(zhuǎn)換器與LT3094輸出的電磁耦合。輸出噪聲會增加，從而使PSRR降低。如果開關(guān)穩(wěn)壓器位于具LT3094兩英寸的范圍以內(nèi)，為了獲得最佳的PSRR性能，我們建議不要在LT3094的輸入端放置電容。
結(jié)論
LT3094是一款具有超低噪聲和超高PSRR的負LDO穩(wěn)壓器。它采用基于電流基準的架構(gòu)，可使噪聲和PSRR性能獨立于輸出電壓，多個LT3094可以輕松并聯(lián)，以增加負載電流并降低輸出噪聲。當LT3094用于對開關(guān)轉(zhuǎn)換器進行后置調(diào)節(jié)時，VIOC功能可以最大限度地降低LDO穩(wěn)壓器的功耗，使其成為可變輸出電壓應(yīng)用的理想選擇。
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