LDO噪聲詳解

一個(gè)簡(jiǎn)單的線性電壓穩(wěn)壓器包含一個(gè)基本控制環(huán)路，其負(fù)反饋與內(nèi)部參考比較，以提供恒定電壓—與輸入電壓、溫度或者負(fù)載電流的變化或者擾動(dòng)無(wú)關(guān)。

圖 1 顯示了一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)圖。紅色箭頭表示負(fù)反饋信號(hào)通路。輸出電壓 VOUT 通過(guò)反饋電阻 R1 和 R2 分壓，以提供反饋電壓 VFB。VFB 與誤差放大器負(fù)輸入端的參考電壓 VREF 比較，提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓 VGATE。最后，誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出晶體管 NFET，以對(duì) VOUT 進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 1 LDO 負(fù)反饋環(huán)路

簡(jiǎn)單噪聲分析以圖 2 作為開始。藍(lán)色箭頭表示由常見(jiàn)放大器差異代表的環(huán)路子集(電壓跟隨器或者功率緩沖器)。這種電壓跟隨器電路迫使 VOUT 跟隨 VREF。VFB 為誤差信號(hào)，其參考 VREF。在穩(wěn)定狀態(tài)下，VOUT 大于 VREF，其如方程式 1 所描述：

圖 2 LDO 參考電壓緩沖

其中，1 + R1/R2 為誤差放大器必須達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出電壓 (VOUT) 的增益。

假設(shè)電壓參考不理想，并在其DC輸出電壓(VREF)上有一個(gè)有效噪聲因數(shù)VN(REF)。假設(shè)圖 2 中所有電路模塊均理想，VOUT 便為噪聲源的函數(shù)?？梢暂p松地對(duì)方程式 1 進(jìn)行修改，以考慮到噪聲源，如方程式 2 所示：

其中，VN(REF) 為輸出的單獨(dú)噪聲影響因素，如方程式 3 所示：

通過(guò)方程式 2 和 3，我們可以清楚地看到，更高的輸出電壓產(chǎn)生更高的輸出噪聲。反饋電阻 R1 和 R2 設(shè)置(或者調(diào)節(jié))輸出電壓，從而設(shè)置輸出噪聲電壓。因此，許多LDO器件的特點(diǎn)是，噪聲性能與輸出電壓有關(guān)。例如，VN = 16 µVRMS×VOUT 說(shuō)明了一種標(biāo)準(zhǔn)的輸出噪聲描述方式。

主要 LDO 輸出電壓噪聲源

對(duì)于大多數(shù)典型的LDO器件來(lái)說(shuō)，主要輸出噪聲源為方程式3所示經(jīng)過(guò)放大的參考噪聲。雖然總輸出噪聲因器件不同而各異，但一般都是如此。圖 3 為一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)圖，顯示了其各個(gè)電路組件的相應(yīng)等效噪聲源。由于任何有電流流過(guò)的器件都是一個(gè)潛在的噪聲源，圖 1 和圖 2 所示所有單個(gè)組件均為一個(gè)噪聲源。

圖 4 由圖 3 改畫而來(lái)，目的是包括 OUT 節(jié)點(diǎn)的所有等效參考噪聲源。完整的噪聲方程式為：

圖 3 等效噪聲源 LDO 拓?fù)?/p>

圖 4 統(tǒng)一噪聲源 LDO 拓?fù)?/p>

在大多數(shù)情況下，由于參考電壓模塊即能帶隙電路由許多電阻器、晶體管和電容器組成，因此 VN(REF) 往往會(huì)大于該方程式中最后三個(gè)噪聲源，其中 VN(REF) >> VN(R1) 或者 VN(REF) >> VN(R2)。因此，方程式 4 可以簡(jiǎn)化為：

就高性能 LDO 器件而言，常見(jiàn)的方法是添加一個(gè)降噪 (NR) 引腳，以消除參考噪聲。圖5描述了NR引腳如何降低噪聲。由于VN(REF)為主要輸出噪聲源，因此我們?cè)趨⒖茧妷耗K(VREF)和誤差放大器之間插入一個(gè)RC濾波電容器CNR，旨在減少這種噪聲。RC 濾波器減少噪聲的程度由一個(gè)衰減函數(shù)決定：

其中

圖 5 參考噪聲濾波器 LDO 拓?fù)?/p>

圖 6 RMS 噪聲與輸出電壓的關(guān)系

因此，放大參考噪聲被降至(1 + R1/R2) × VN(REF) × GRC，則方程式5變?yōu)椋?/p>

在現(xiàn)實(shí)世界中，所有控制信號(hào)電平均依賴于頻率，包括噪聲信號(hào)在內(nèi)。如果誤差放大器帶寬有限，則高頻參考噪聲 (VN(REF)) 通過(guò)誤差放大器濾波，其方式與使用 RC 濾波器類似。但在實(shí)際情況下，誤差放大器往往具有非常寬的帶寬，因此 LDO 器件擁有非常好的電源紋波抑制 (PSRR) 性能，其為高性能 LDO 的另一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)。為了滿足這種矛盾的要求，IC 廠商選擇使用寬帶寬誤差放大器，以實(shí)現(xiàn)最佳低噪聲 PSRR。如果低噪聲也為強(qiáng)制要求，則這樣做會(huì)帶來(lái) NR 引腳功能的使用。

典型電路中參考噪聲的控制

放大參考噪聲

TI TPS74401 LDO 用于測(cè)試和測(cè)量。表 1 列出了常見(jiàn)配置參數(shù)。請(qǐng)注意，為了便于閱讀，TPS74401 產(chǎn)品說(shuō)明書的軟啟動(dòng)電容器 CSS 是指降噪電容器 CNR。

表 1 設(shè)置參數(shù)

首先，使用一個(gè)可忽略不計(jì)的小 CNR，研究放大器增益的影響。圖 6 顯示了 RMS 噪聲與輸出電壓設(shè)置的對(duì)比情況。如前所述，主要噪聲源 VN(REF) 通過(guò)反饋電阻器 R1 和 R2 的比放大。我們將方程式 7 修改為方程式 8 的形式：

其中，VN(Other)為所有其它噪聲源的和。

如果方程式 8 擬合y=ax + b的線性曲線，如圖 6 中紅色虛線所示，則 VN(REF)(斜率項(xiàng))可估算為 19 µVRMS，而 VN(Other)(y 截距項(xiàng))為 10.5 µVRMS。正如在后面我們根據(jù)“降噪(NR)引腳效應(yīng)”說(shuō)明的那樣，CNR 的值為 1pF，目的是將 RC 濾波器效應(yīng)最小化至可忽略不計(jì)水平，而 GRC 被看作等于 1。在這種情況下，基本假定 VN(REF) 為主要噪聲源。

請(qǐng)注意，當(dāng)　OUT　節(jié)點(diǎn)短路至 FB 節(jié)點(diǎn)時(shí)噪聲最小，其讓方程式 8 的放大器增益(1 + R1/R2)等于1(R1=0)。圖 6 顯示，該最小噪聲點(diǎn)約為 30 µVRMS。

抵銷放大參考噪聲

本小節(jié)介紹一種實(shí)現(xiàn)最小輸出噪聲配置的有效方法。如圖 7 所示，一個(gè)前饋電容器 CFF 向前傳送(繞開)R1 周圍的輸出噪聲。這種繞開或者短路做法，可防止在高于 R1 和 CFF 諧振頻率 fResonant 時(shí)參考噪聲因誤差放大器增益而增加，其中：

輸出噪聲變?yōu)椋?/p>

圖 7 使用噪聲最小化前饋電容(CFF) 的 LDO 拓?fù)?/p>

圖 8 顯示了RMS噪聲相對(duì)于前饋電容 (CFF) 和不同輸出電壓設(shè)置的變化。請(qǐng)注意，每個(gè) RMS 圖線上各點(diǎn)代表上述電路狀態(tài)下整個(gè)給定帶寬的完整噪聲統(tǒng)計(jì)平均數(shù)。正如我們預(yù)計(jì)的那樣，所有曲線朝 30 µVRMS 左右的最小輸出噪聲匯集;換句話說(shuō)，由于 CFF 效應(yīng)，噪聲匯聚于 VN(REF) + VN(Other)。

圖 8 前饋電容對(duì)噪聲的影響

圖 8 對(duì)此進(jìn)行了描述。CFF 值大于 100nF時(shí)，方程式 8 中1 + R1/R2 的放大器增益被抵銷掉。出現(xiàn)這種情況的原因是，盡管低頻噪聲未被 CFF 完全抵銷，但是低頻噪聲對(duì) RMS 計(jì)算的總統(tǒng)計(jì)平均數(shù)影響不大。為了觀察 CFF 的實(shí)際效果，我們必需查看噪聲電壓的實(shí)際頻譜密度圖(圖9)。圖9表明，CFF=10µF 曲線的噪聲最小，但是某些頻率以上時(shí)所有曲線均接近于這條最小噪聲曲線。這些頻率相當(dāng)于由 R1 和 CFF 值決定的諧振極點(diǎn)頻率。R1 等于 31.6 kΩ 時(shí)計(jì)算得到的 CFF值，請(qǐng)參見(jiàn)表 2。

表 2 計(jì)算得諧振頻率

圖 9 表明，50 Hz 附近時(shí)，CFF=100 nF 曲線轉(zhuǎn)降。5 kHz 附近時(shí)，CFF=1 nF 曲線轉(zhuǎn)降，但是 CFF=10 pF 時(shí)諧振頻率受 LDO 噪聲總內(nèi)部效應(yīng)影響。通過(guò)觀察圖 9，我們后面均假設(shè) CFF=10µF 最小噪聲。

圖 9 各種 CFF 值的輸出頻譜噪聲密度

降噪 (NR) 引腳的效果

在 NR 引腳和接地之間使用 RC 濾波器電容(CNR)時(shí)，GRC 下降。圖 10 表明 RMS 噪聲為 CNR 的函數(shù)(參見(jiàn)圖 5)。稍后，我們將在第三段“其它技術(shù)考慮因素”中說(shuō)明這兩條曲線的差異。

圖 10 RMS 噪聲與降噪電容的關(guān)系

圖 10 利用 10 Hz 到 100 kHz 更寬融合范圍，來(lái)捕捉低頻區(qū)域的性能差異。CNR=1pF 時(shí)，兩條曲線表現(xiàn)出非常高的RMS噪聲值。盡管圖 10 沒(méi)有顯示，但不管是否 CNR=1pF，都沒(méi)有 RMS 噪聲差異。這就是為什么在前面小節(jié)“放大參考噪聲”中，我們把GRC被看作等于 1 的原因。

正如我們預(yù)計(jì)的那樣，隨著 CNR 增加，RMS 噪聲下降，并在 CNR=1µF 時(shí)朝約12.5 µVRMS 的最小輸出噪聲匯聚。

CFF= 10 µF 時(shí)，放大器增益(1 + R1/R2)可以忽略不計(jì)。因此，方程式 8 可以簡(jiǎn)寫為：

正如我們看到的那樣，VN(Other) 并不受 CNR 影響。因此，CNR 保持 10.5 µVRMS，其由圖 6 所示數(shù)據(jù)曲線擬合度決定。方程式 10 可以表示為：

接下來(lái)，我們要確定 GRC 降噪電容的影響，這一點(diǎn)很重要。圖 10 中曲線的最小測(cè)量噪聲，讓我們可以將方程式10改寫為：

其中，求解VN(REF) × GRC 得到 2 µVRMS。增加 CNR 會(huì)使參考噪聲從19.5 µVRMS降至 2 µVRMS，也就是說(shuō)，在 10 Hz 到 100 kHz 頻率范圍，GRC 從整數(shù)降至 0.1 (2/19.5) 平均數(shù)。

圖 11 顯示了 CNR 如何降低頻域中的噪聲。與圖 9 所示小 CFF 值一樣，更小的 CNR 開始在高頻起作用。請(qǐng)注意，CNR 最大值 1µF 表明最低噪聲。盡管 CNR = 10 Nf 曲線表明最小噪聲幾乎接近于 CNR = 1 µF 的曲線，10-Nf 曲線顯示30Hz 和100Hz 之間有一小塊突出部分。

圖 11 不同 CNR 值時(shí)輸出頻譜噪聲密度與頻率的關(guān)系

圖8所示曲線(CNR = 1 pF)，可改進(jìn)為圖 12(CNR = 1 µF)。圖 8 顯示 CFF = 100 Nf 和 CFF = 10 µF 之間幾乎沒(méi)有 RMS 噪聲差異，但是圖 12 清楚地顯示出了差異。

圖 12 中，不管輸出電壓是多少，CFF = 10 µF 和 CNR = 1 µF 均帶來(lái)最低噪聲值12.5 µVRMS，也即最小 GRC 值(換句話說(shuō)，RC濾波器的最大效果)為 0.1。12.5 µVRMS 值為 TI 器件 TPS74401 的底限噪聲。

圖 12 噪聲優(yōu)化以后 RMS 噪聲與前饋電容的關(guān)系

當(dāng)我們把一個(gè)新LDO器件用于噪聲敏感型應(yīng)用時(shí)，利用大容量CFF和CNR電容確定這種器件的獨(dú)有本底噪聲是一種好方法。圖12表明RMS噪聲曲線匯聚于本底噪聲值。

其他技術(shù)考慮因素

降噪電容器的慢啟動(dòng)效應(yīng)

除降噪以外，RC濾波器還會(huì)起到一個(gè)RC延遲電路的作用。因此，較大的CNR值會(huì)引起穩(wěn)壓器參考電壓的較大延遲。

前饋電容器的慢啟動(dòng)效應(yīng)

CFF利用一種機(jī)制繞過(guò)R1反饋電阻AC信號(hào)，而憑借這種機(jī)制，其在激活事件發(fā)生后VOUT不斷上升時(shí)，也繞過(guò)輸出電壓反饋信息。直到CFF完全充電，誤差放大器才利用更大的負(fù)反饋信號(hào)，從而導(dǎo)致慢啟動(dòng)。

為什么高VOUT值會(huì)導(dǎo)致更小的RMS噪聲

在圖8和圖10中，相比VOUT=0.8V的情況，VOUT=3.3V曲線的噪聲更小。我們知道，更高的電壓設(shè)置會(huì)增加參考噪聲，因此這看起來(lái)很奇怪。對(duì)于這種現(xiàn)象的解釋是，由于CFF連接至OUT節(jié)點(diǎn)，因此除繞過(guò)電阻器R1的噪聲信號(hào)以外，CFF還有增加輸出電容值的效果。圖12表明，由于參考噪聲被最小化，我們便可以觀測(cè)到這種現(xiàn)象。

RMS噪聲值

由于TPS74401的本底噪聲為12.5 µVRMS，它是市場(chǎng)上噪聲最低的LDO之一。在設(shè)計(jì)一個(gè)超低噪聲穩(wěn)壓器過(guò)程中，12.5 µVRMS絕對(duì)值是一個(gè)較好的參考值。

結(jié)論

本文深入探討了LDO器件的基本噪聲以及如何將其降至最小，具體包括：

l 每種電路模塊對(duì)輸出噪聲的影響程度

l 參考電壓如何成為主要的噪聲源(經(jīng)誤差放大器放大)

l 如何抵銷經(jīng)過(guò)放大的參考噪聲

l NR功能的工作原理

謹(jǐn)慎選擇降噪電容器 (CNR) 和前饋電容器 (CFF)，可以將 LDO 輸出噪聲最小化至器件獨(dú)有的本底噪聲水平。利用這種噪聲最小化配置，LDO 器件便可保持本底噪聲值，讓其同非優(yōu)化配置中常常影響噪聲水平的一些參數(shù)無(wú)關(guān)。

給電路添加 CNR 和 CFF 時(shí)存在慢啟動(dòng)副作用，因此我們必須認(rèn)真選擇這些電容器，以實(shí)現(xiàn)快速升壓。

本文所述方法已經(jīng)用于優(yōu)化 TI 的 TPS7A8101 LDO 的噪聲。在 TPS7A8101 產(chǎn)品說(shuō)明書第 10 頁(yè)，不管參數(shù)如何變化，器件都擁有恒定的噪聲值。