低压差线性稳压器（LDO）的噪音问题解析 稳压器, 可靠性, 电信, 通信

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[导读] 本文将对一种基本 LDO 拓扑进行仔细研究，找出其主要噪声源，并给出最小化其输出噪声的一些方法。
关键词：低压差线性稳压器LDO

　　引言
　　随着通信信道的复杂度和可靠性不断增加，人们对于电信系统的要求和期望也不断提高。这些通信系统高度依赖于高性能、高时钟频率和数据转换器器件，而这些器件的性能又非常依赖于系统电源轨的质量。当使用一个高噪声电源供电时，时钟或者转换器 IC 无法达到最高性能。仅仅只是少量的电源噪声，便会对性能产生极大的负面影响。本文将对一种基本 LDO 拓扑进行仔细研究，找出其主要噪声源，并给出最小化其输出噪声的一些方法。
　　表明电源品质的一个关键参数是其噪声输出，它常见的参考值为 RMS 噪声测量或者频谱噪声密度。为了获得最低 RMS 噪声或者最佳频谱噪声特性，线性电压稳压器（例如：低压降电压稳压器，LDO），始终比开关式稳压器有优势。这让其成为噪声敏感型应用的选择。
　　基本 LDO 拓扑
　　一个简单的线性电压稳压器包含一个基本控制环路，其负反馈与内部参考比较，以提供恒定电压—与输入电压、温度或者负载电流的变化或者扰动无关。
　　图 1 显示了一个 LDO 稳压器的基本结构图。红色箭头表示负反馈信号通路。输出电压 VOUT 通过反馈电阻 R1 和 R2 分压，以提供反馈电压 VFB。VFB 与误差放大器负输入端的参考电压 VREF 比较，提供栅极驱动电压 VGATE。最后，误差信号驱动输出晶体管 NFET，以对 VOUT 进行调节。
　　图 1 LDO 负反馈环路

　　

　　简单噪声分析以图 2 作为开始。蓝色箭头表示由常见放大器差异代表的环路子集（电压跟随器或者功率缓冲器）。这种电压跟随器电路迫使 VOUT 跟随 VREF。VFB 为误差信号，其参考 VREF。在稳定状态下，VOUT 大于 VREF，其如方程式 1 所描述：
　　
　　图 2 LDO 参考电压缓冲

　　

　　其中，1 + R1/R2 为误差放大器必须达到稳态输出电压 （VOUT） 的增益。
　　假设电压参考不理想，并在其DC输出电压（VREF）上有一个有效噪声因数VN（REF）。假设图 2 中所有电路模块均理想，VOUT 便为噪声源的函数。可以轻松地对方程式 1 进行修改，以考虑到噪声源，如方程式 2 所示：
　　
　　其中，VN（REF） 为输出的单独噪声影响因素，如方程式 3 所示：
　　
　　通过方程式 2 和 3，我们可以清楚地看到，更高的输出电压产生更高的输出噪声。反馈电阻 R1 和 R2 设置（或者调节）输出电压，从而设置输出噪声电压。因此，许多LDO器件的特点是，噪声性能与输出电压有关。例如，VN = 16 μVRMS×VOUT 说明了一种标准的输出噪声描述方式。
　　主要 LDO 输出电压噪声源
　　对于大多数典型的LDO器件来说，主要输出噪声源为方程式3所示经过放大的参考噪声。虽然总输出噪声因器件不同而各异，但一般都是如此。图 3 为一个完整的结构图，显示了其各个电路组件的相应等效噪声源。由于任何有电流流过的器件都是一个潜在的噪声源，图 1 和图 2 所示所有单个组件均为一个噪声源。
　　图 4 由图 3 改画而来，目的是包括 OUT 节点的所有等效参考噪声源。完整的噪声方程式为：
　　
　　图 3 等效噪声源 LDO 拓扑

　　

　　图 4 统一噪声源 LDO 拓扑

　　

　　在大多数情况下，由于参考电压模块即能带隙电路由许多电阻器、晶体管和电容器组成，因此 VN（REF） 往往会大于该方程式中最后三个噪声源，其中 VN（REF） 》》 VN（R1） 或者 VN（REF） 》》 VN（R2）。因此，方程式 4 可以简化为：
　　
　　就高性能 LDO 器件而言，常见的方法是添加一个降噪 （NR） 引脚，以消除参考噪声。图5描述了NR引脚如何降低噪声。由于VN（REF）为主要输出噪声源，因此我们在参考电压模块（VREF）和误差放大器之间插入一个RC滤波电容器CNR，旨在减少这种噪声。RC 滤波器减少噪声的程度由一个衰减函数决定：
　　
　　其中
　　
　　图 5 参考噪声滤波器 LDO 拓扑

　　

　　图 6 RMS 噪声与输出电压的关系

　　

　　因此，放大参考噪声被降至（1 + R1/R2） × VN（REF） × GRC，则方程式5变为：
　　
　　在现实世界中，所有控制信号电平均依赖于频率，包括噪声信号在内。如果误差放大器带宽有限，则高频参考噪声 （VN（REF）） 通过误差放大器滤波，其方式与使用 RC 滤波器类似。但在实际情况下，误差放大器往往具有非常宽的带宽，因此 LDO 器件拥有非常好的电源纹波抑制 （PSRR） 性能，其为高性能 LDO 的另一个关键性能参数。为了满足这种矛盾的要求，IC 厂商选择使用宽带宽误差放大器，以实现最佳低噪声 PSRR。如果低噪声也为强制要求，则这样做会带来 NR 引脚功能的使用。