LDO噪聲詳解

引言

隨著通信信道的復雜度和可靠性不斷增加，人們對于電信系統(tǒng)的要求和期望也不斷提高。這些通信系統(tǒng)高度依賴于高性能、高時鐘頻率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件，而這些器件的性能又非常依賴于系統(tǒng)電源軌的質(zhì)量。當使用一個高噪聲電源供電時，時鐘或者轉(zhuǎn)換器 IC 無法達到最高性能。僅僅只是少量的電源噪聲，便會對性能產(chǎn)生極大的負面影響。本文將對一種基本 LDO 拓撲進行仔細研究，找出其主要噪聲源，并給出最小化其輸出噪聲的一些方法。

表明電源品質(zhì)的一個關鍵參數(shù)是其噪聲輸出，它常見的參考值為 RMS 噪聲測量或者頻譜噪聲密度。為了獲得最低 RMS 噪聲或者最佳頻譜噪聲特性，線性電壓穩(wěn)壓器(例如：低壓降電壓穩(wěn)壓器，LDO)，始終比開關式穩(wěn)壓器有優(yōu)勢。這讓其成為噪聲敏感型應用的選擇。

基本 LDO 拓撲

一個簡單的線性電壓穩(wěn)壓器包含一個基本控制環(huán)路，其負反饋與內(nèi)部參考比較，以提供恒定電壓—與輸入電壓、溫度或者負載電流的變化或者擾動無關。

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

圖 1 LDO 負反饋環(huán)路

簡單噪聲分析以圖 2 作為開始。藍色箭頭表示由常見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，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到穩(wěn)態(tài)輸出電壓 (VOUT) 的增益。

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

其中，VN(REF) 為輸出的單獨噪聲影響因素，如方程式 3 所示：

通過方程式 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 設置(或者調(diào)節(jié))輸出電壓，從而設置輸出噪聲電壓。因此，許多LDO器件的特點是，噪聲性能與輸出電壓有關。例如，VN = 16 µVRMS×VOUT 說明了一種標準的輸出噪聲描述方式。

主要 LDO 輸出電壓噪聲源

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

圖 4 由圖 3 改畫而來，目的是包括 OUT 節(jié)點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 拓撲

圖 4 統(tǒng)一噪聲源 LDO 拓撲

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) 往往會大于該方程式中最后三個噪聲源，其中 VN(REF) >> VN(R1) 或者 VN(REF) >> VN(R2)。因此，方程式 4 可以簡化為：

就高性能 LDO 器件而言，常見的方法是添加一個降噪 (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，因此我們在參考電壓模塊(VREF)和誤差放大器之間插入一個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衰減函數(shù)決定：

其中

圖 5 參考噪聲濾波器 LDO 拓撲

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