低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器的噪聲源（二）

降低環(huán)路增益的另一個(gè)因素是調(diào)整元件具有一個(gè)非零電阻，或稱RDSON.RDSON包括MOSFET導(dǎo)通電阻、片內(nèi)互連電阻和線焊電阻。RDSON通過(guò)LDO的壓差電壓估算。例如，WLCSP封裝的ADP151在200 mA負(fù)載下的最差情況壓差電壓為200 mV,這意味著RDSON約為1.0Ω 。圖13顯示了調(diào)整元件和RDSON的簡(jiǎn)化原理圖。

圖13. 簡(jiǎn)化的LDO顯示調(diào)整元件電阻

負(fù)載電流引起的RDSON上的任何壓降都會(huì)導(dǎo)致調(diào)整元件有效部分的裕量降低相應(yīng)的量。例如，如果調(diào)整元件是一個(gè)1 器件，負(fù)載電流為200 mA,則裕量將降低200 mV.當(dāng)LDO在1 V或更低的裕量電壓下工作時(shí)，估算LDO PSRR時(shí)必須考慮此壓降。

改善PSRR

在既定的負(fù)載電流下，LDO的PSRR可以通過(guò)多種方式加以改善：

●讓LDO在至少1 V的裕量下工作。某些LDO,如ADP151等，能夠在低至500 mV的裕量下很好地工作。

●使用最大負(fù)載電流額定值至少比預(yù)期負(fù)載大1.5倍的LDO.

●在LDO的輸入端或輸出端增加外部濾波。

●如果裕量足夠，級(jí)聯(lián)兩個(gè)或更多LDO.

增加外部濾波以提高PSRR

增加外部濾波可以大大改善LDO電路的PSRR,但是，其代價(jià)是電路更復(fù)雜，并且裕量和效率會(huì)降低。根據(jù)應(yīng)用不同，可以將額外濾波添加到LDO的輸入端(前置濾波)或輸出端(后置濾波)。

后置濾波常常用于LDO輸出端存在顯著低頻噪聲的場(chǎng)合，如ADP151等現(xiàn)代低噪聲LDO不再需要后置濾波。后置濾波的缺點(diǎn)是濾波器電感的電阻會(huì)引起額外的負(fù)載調(diào)整誤差。

當(dāng)必須抑制高頻噪聲時(shí)，如開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波等，增加前置濾波更合適，而且它不會(huì)影響負(fù)載調(diào)整。

圖14顯示一個(gè)LDO電路同時(shí)采用前置濾波和后置濾波，然而，通常情況下僅使用一個(gè)外部濾波器。

圖14. 采用外部前置濾波和后置濾波的LDO

濾波器的主要元件是LF和CF,用于設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。CD和RD消除LF和CF的諧振。CIN和COUT是用于LDO的典型輸入和輸出電容，但CIN不是必需的。

CF、LF、CD和RD的值可以通過(guò)以下方程式來(lái)確定：

例如，假設(shè)必須將一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的1 MHz紋波降低至少30 dB,100 kHz至200 kHz的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)當(dāng)足夠。

根據(jù)方程式9,假設(shè)CF = 1μF、LF = 1μH,則fC = 160 kHz.

根據(jù)方程式10,CD = 10μF;根據(jù)方程式11,RD = 1Ω。

圖15顯示了示例濾波器的響應(yīng)。1 MHz時(shí)的衰減約為33 dB,最大峰化約為0.7 dB(81 kHz時(shí))。

電感LF的直流電阻應(yīng)盡可能低，以使裕量降幅最小(對(duì)于后置濾波器，則使負(fù)載調(diào)整誤差最小)。電感的飽和電流也必須至少像電路的最大預(yù)期負(fù)載電流一樣高。

圖15. 示例紋波濾波器的響應(yīng)

級(jí)聯(lián)多個(gè)LDO以提高PSRR

在裕量充足的應(yīng)用中，級(jí)聯(lián)多個(gè)LDO(如ADP151等)可以大大提高PSRR,同時(shí)保持ADP151的低輸出噪聲特性。圖16顯示兩個(gè)級(jí)聯(lián)LDO的原理圖。旁路電容CIN、COUT和CO等于ADP151數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦值，即1μF.

圖16. 級(jí)聯(lián)LDO

所選的LDO1輸出確保LDO2上的裕量至少為500 mV.為獲得最佳性能，LDO1上的裕量至少也應(yīng)為500 mV.圖17比較了一個(gè)1.8 V ADP151與兩個(gè)級(jí)聯(lián)ADP151的PSRR.兩種情況下的負(fù)載電流和裕量均分別為200 mA和1 V.從圖17可以清楚地看出，級(jí)聯(lián)兩個(gè)LDO可以將寬頻率范圍內(nèi)的PSRR提高多達(dá)30 dB.

圖17. 一個(gè)LDO和級(jí)聯(lián)LDO的PSRR

比較LDO PSRR指標(biāo)

比較LDO的PSRR指標(biāo)時(shí)，應(yīng)確保測(cè)量是在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行。許多舊式LDO僅說(shuō)明120 Hz或1 kHz時(shí)的PSRR,而未提及裕量電壓或負(fù)載電流。至少電氣技術(shù)規(guī)格表中的PSRR應(yīng)針對(duì)不同的頻率列出。為使比較有意義，最好應(yīng)使用不同負(fù)載和裕量電壓下的PSRR典型工作性能曲線。

輸出電容也會(huì)影響高頻時(shí)的LDO PSRR.例如，1 μF電容的阻抗是10μF電容的10倍。在頻率高于誤差放大器的0 dB交越頻率時(shí)，電源噪聲的衰減與輸出電容有關(guān)，此時(shí)的容值特別重要。比較PSRR數(shù)值時(shí)，輸出電容的類(lèi)型和值必須相同，否則比較無(wú)效。

LDO總噪聲

內(nèi)部噪聲和PSRR均構(gòu)成LDO總輸出噪聲的一部分。根據(jù)應(yīng)用不同，內(nèi)部噪聲和PSRR二者之一的貢獻(xiàn)可能很重要，或者二者的貢獻(xiàn)均很重要。當(dāng)PSRR和內(nèi)生噪聲對(duì)應(yīng)用的整體性能均有影響時(shí)，就無(wú)法應(yīng)用噪聲的單一數(shù)值。

一個(gè)典型應(yīng)用是利用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為RF PLL供電。為了抑制來(lái)自開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的紋波，輸出通過(guò)一個(gè)LDO進(jìn)行調(diào)節(jié)。

LDO的內(nèi)部噪聲會(huì)輕微調(diào)制PLL的電源，從而在PLL的輸出端引起相位噪聲。PLL的相位噪聲由VCO頻率偏移引起，與電源電壓有關(guān)，表示為△f/△V,常常稱為VCO的推移增益。

LDO的PSRR可以降低開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在LDO單位增益頻率以下的噪聲。超出LDO的單位增益頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器噪聲由LDO輸出電容或LDO之后的無(wú)源濾波進(jìn)行衰減。未經(jīng)充分衰減的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器頻率諧波表現(xiàn)為PLL頻率任一端上的雜散。

結(jié)束語(yǔ)

一般而言，LDO噪聲包括兩部分：內(nèi)部或內(nèi)生噪聲以及外部或外生噪聲。

熱噪聲和1/f噪聲是主要的內(nèi)生噪聲源，與LDO的設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體技術(shù)有關(guān)。

外部噪聲有許多來(lái)源，但最常見(jiàn)的是LDO輸入電源的噪聲。

由于LDO具有高增益以確保良好的線路和負(fù)載調(diào)整性能，因此它能夠衰減來(lái)自輸入電源的噪聲和紋波，這就是LDO的PSRR.LDO的帶寬有限，因此其PSRR隨著頻率提高而降低。LDO帶寬之外的噪聲無(wú)法通過(guò)LDO本身進(jìn)行衰減，可以利用無(wú)源濾波器來(lái)降低。