低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器的噪聲源（二）

比較LDO噪聲指標(biāo)

均方根噪聲用單一數(shù)值表示，因此它是用于比較不同LDO性能的一個有用指標(biāo)。然而，進(jìn)行比較的LDO的噪聲指標(biāo)必須是在相同的測試條件下測得。

例如，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)，1.2 V輸出的ADP223均方根噪聲約為27.7 μV rms.如果噪聲帶寬降到100 Hz至100kHz,則均方根噪聲降至約26.2μV rms.均方根噪聲之所以降低，是因為進(jìn)行的噪聲測量不再包括10 Hz至100 Hz范圍內(nèi)的8.9μV rms噪聲。

此外還必須留意所考慮的LDO的降噪特性。對于需要外部電容進(jìn)行降噪的LDO,不使用電容時的噪聲可能比使用電容時高100倍。在要求小尺寸和低成本的應(yīng)用中，出于節(jié)省PCB面積和成本考慮，可能會選擇不需要外部降噪電容，但噪聲略高于需要降噪電容的LDO.

LDO PSRR

LDO的PSRR常常與內(nèi)部噪聲相混淆。簡單地說，PSRR衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來信號(噪聲和紋波)，使這些干擾信號不致于破壞電路輸出的能力。電路的PSRR定義如下：

其中，VEIN和VEOUT分別是輸入端和輸出端出現(xiàn)的外來信號。

對于ADC、DAC和放大器等電路，該PSRR適用于向目標(biāo)電路內(nèi)部供電的輸入端。對于LDO,輸入電源引腳為調(diào)節(jié)輸出電壓和內(nèi)部電路供電。

PSRR與頻率的關(guān)系

PSRR不是通過單一值來定義，因為它與頻率相關(guān)。如圖1所示，LDO由基準(zhǔn)電壓、誤差放大器、MOSFET或雙極性晶體管等功率調(diào)整元件組成。誤差放大器提供直流增益以便調(diào)節(jié)輸出電壓。誤差放大器的交流增益特性在很大程度上決定了LDO的PSRR.典型LDO在10 Hz時可能具有高達(dá)80 dB的PSRR,但在數(shù)十kHz時則可能降至僅20 dB.

誤差放大器增益帶寬與PSRR的關(guān)系如圖9所示。本例已進(jìn)行高度簡化，輸出電容和調(diào)整元件寄生效應(yīng)被忽略。

PSRR等于60 dB開環(huán)增益的倒數(shù)，直到3 kHz時增益開始滾降。PSRR以20 dB/10倍的速率降低，直到3 MHz時PSRR達(dá)到0 dB;對于此后所有更高的頻率，PSRR保持0 dB不變。

圖9. 簡化的LDO增益與PSRR的關(guān)系

圖10的PSRR曲線顯示了表征LDO PSRR的三個主要頻域：

基準(zhǔn)電壓PSRR區(qū)、開環(huán)增益區(qū)和輸出電容區(qū)。

圖10. 典型LDO PSRR與頻率的關(guān)系

基準(zhǔn)電壓PSRR區(qū)取決于基準(zhǔn)電壓放大器的PSRR和LDO開環(huán)增益。理想情況下，基準(zhǔn)電壓放大器完全不受電源擾動的影響。實際上，基準(zhǔn)電壓只需要抑制最高數(shù)十Hz的電源噪聲，因為誤差放大器反饋確保在低頻時具有高PSRR.

在大約10 Hz以上的第二區(qū)中，PSRR主要由LDO的開環(huán)增益決定。此區(qū)中的PSRR是誤差放大器增益帶寬(最高為單位增益頻率)的函數(shù)。在低頻時，誤差放大器的交流增益等于直流增益并保持不變，直至達(dá)到3 dB滾降頻率。在高于3dB滾降點的頻率，誤差放大器的交流增益隨著頻率提高而降低，變化速率通常為20 dB/10倍。

在誤差放大器的單位增益頻率以上，控制環(huán)路的反饋對PSRR無影響，PSRR由輸出電容和輸入與輸出電壓之間的任何寄生效應(yīng)決定。在這些頻率，輸出電容ESR和ESL以及電路板布局布線會強烈影響PSRR.為了降低高頻諧振的影響，必須特別注意布局布線。

PSRR與負(fù)載電流的關(guān)系

如PSRR與頻率的關(guān)系部分所述，LDO的PSRR取決于誤差放大器反饋環(huán)路的增益帶寬，任何會影響此環(huán)路增益的因素都會影響LDO的PSRR.負(fù)載電流可以通過兩種方式影響PSRR.

在低負(fù)載電流下(通常小于50 mA)，調(diào)整元件的輸出阻抗很高。由于控制環(huán)路的負(fù)反饋，LDO輸出似乎是理想的電流源。輸出電容和調(diào)整元件形成的極點導(dǎo)致輸出阻抗出現(xiàn)在相對較低的頻率，并且往往會提高低頻時的PSRR.低電流時輸出級的高直流增益往往也會提高誤差放大器單位增益點以下頻率時的PSRR.

在重負(fù)載電流下，LDO輸出不太像是一個理想電流源，調(diào)整元件的輸出阻抗相對較低，導(dǎo)致輸出級的增益降低。輸出級增益的下降使得直流到反饋環(huán)路單位增益頻率范圍內(nèi)的PSRR降低。圖11顯示直流增益隨著負(fù)載電流的降低而顯著下降。從200 mA到100 mA,ADP151的直流增益下降超過20 dB.

輸出級帶寬因為輸出極點頻率的提高而提高。在高頻時，PSSR似乎應(yīng)當(dāng)隨著環(huán)路帶寬的提高而提高，但實際上，由于總環(huán)路增益的降低，高頻PSRR可能沒有提高。一般而言，輕負(fù)載時的PSRR優(yōu)于重負(fù)載時的PSRR.

圖11. 典型LDO PSRR與負(fù)載電流的關(guān)系(ADP151)

PSRR與LDO裕量的關(guān)系

LDO的PSRR也與輸入到輸出的壓差或裕量有關(guān)。對于固定裕量電壓，PSRR隨著負(fù)載電流的提高而降低，這在重負(fù)載電流和小裕量電壓時尤其明顯。圖12顯示了2.8 V輸出ADP151在200 mA負(fù)載、500 mV和1 V裕量下的PSRR差異。

隨著負(fù)載電流提高，調(diào)整元件(ADP151的P-MOSFET)脫離飽和狀態(tài)，進(jìn)入三極工作區(qū)，其增益相應(yīng)地降低，這導(dǎo)致LDO的總環(huán)路增益降低，因而PSRR下降。裕量越小，則增益降幅越大。在某些小裕量電壓，控制環(huán)路根本沒有增益，PSRR降至0.

圖12. 典型LDO PSRR與裕量的關(guān)系(ADP151)。