LDO基礎知識：噪聲 - 降噪引腳如何提高系統(tǒng)性能

在“LDO基礎知識：電源抑制比”一文中，Aaron Paxton討論了使用低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 來過濾開關模式電源產生的紋波電壓。然而，這并不是實現清潔直流電源的唯一考慮因素。由于LDO是電子器件，因此它們會自行產生一定量的噪聲。選擇低噪聲LDO并采取措施來降低內部噪聲對于生成不會影響系統(tǒng)性能的清潔電源軌而言不可或缺。

識別噪聲

理想的 LDO 會生成沒有交流元件的電壓軌。遺憾的是，LDO 會像其他電子器件一樣自行產生噪聲。圖 1 顯示了這種噪聲在時域中的表現方式。

圖1 電源噪聲的屏幕截圖

時域分析并非易事。因此，檢查噪聲的主要方法有兩種：跨頻率檢查和以積分值形式檢查。

您可以使用頻譜分析儀來識別LDO輸出端的各種交流元件。應用報告“如何測量LDO 噪聲”詳細介紹了噪聲測量方法。

圖2描繪了1A低噪聲LDO TPS7A94的輸出噪聲。

圖2 TPS7A94 的噪聲頻譜密度與頻率和V_OUT的關系

從各條曲線可以看出，以微伏/平方根赫茲 (μV/√Hz) 表示的輸出噪聲集中在頻譜的低端。這種噪聲主要來自內部基準電壓，但誤差放大器、場效應晶體管 (FET) 和電阻分壓器也會產生一定噪聲。

在確定相關頻率范圍的噪聲曲線時，跨頻率查看輸出噪聲會有所助益。例如，音頻應用設計人員會關心電源噪聲可能會降低音質的可聽頻率（20Hz至20kHz）。

數據表通常為同類比較提供單一綜合噪聲值。輸出噪聲通常在10Hz至100kHz范圍內積分，并以微伏均方根 (μVRMS) 表示。一些半導體制造商集成了從100Hz到100kHz或自定義頻率范圍的噪聲。在特定頻率范圍內進行積分有助于掩蓋令人不快的噪聲特性，因此除了積分值之外，檢查噪聲曲線也很重要。圖2顯示了與各種曲線相對應的積分噪聲值。德州儀器提供的LDO產品系列，其集成噪聲值測量值可低至0.47μVRMS。

降低噪聲

除了選擇具有低噪聲品質的LDO之外，您還可以采用幾種技術來確保您的LDO具有超低噪聲特性。這些技術涉及使用降噪和前饋電容器，在“LDO基礎知識：噪聲 - 前饋電容器如何提高系統(tǒng)性能”一文中進行了討論。

降噪電容器

TI 產品組合中的許多低噪聲LDO都具有指定為“NR/SS”的特殊引腳。圖3顯示了用于實現降噪功能的常見拓撲。

圖3 帶有NR/SS引腳的LDO的常見拓撲

該引腳的功能是雙重的。它用于過濾來自內部基準電壓的噪聲，并在啟動期間降低壓擺率或啟用LDO。

在此引腳 (CNR/SS) 上添加一個電容器可形成一個具有內部電阻的電阻電容 (RC) 濾波器，有助于分流由基準電壓產生的不良噪聲。由于基準電壓是噪聲的主要來源，因此增大電容有助于將低通濾波器的截止頻率推至較低頻率。圖4顯示了該電容器對輸出噪聲的影響。

圖4 TPS7A91的噪聲頻譜密度與頻率和C_NR/SS的關系

如圖 4 所示，較大的CNR/SS值會產生更好的噪聲系數。在某個時刻，增大電容將不再降低噪聲。剩余的噪聲來自誤差放大器、FET等。

添加電容器還會在啟動期間引入RC延遲，從而導致輸出電壓以較慢的速度斜升。當輸出或負載上存在大容量電容并且您需要減輕浪涌電流時，這是有利的。

公式1將浪涌電流表示為：

(1)

為了減少浪涌電流，您必須降低輸出電容或降低壓擺率。幸好，CNR/SS有助于實現后者，如圖 5 所示的TPS7A85相關內容。

圖5 TPS7A85 的啟動過程與 CNR/SS 的關系

如您所見，增加CNR/SS值會導致啟動時間延長，從而防止浪涌電流尖峰并可能觸發(fā)限流事件。請注意，某些具有NR引腳的LDO不會實現軟啟動功能。它們能夠實現快速啟動電路，即便使用大型降噪電容器也有助于實現超短啟動時間。

結語

低噪聲LDO對于確保清潔直流電源至關重要。選擇具有低噪聲特性的LDO并實施相關技術以確保盡可能干凈的輸出非常重要。使用CNR/SS有兩大優(yōu)勢：它使您能夠控制壓擺率和過濾基準噪聲。有關使用LDO進行設計的更多提示，請查看LDO基礎知識系列中的其他文章。