LDO基礎(chǔ)知識(shí)：噪聲 - 降噪引腳如何提高系統(tǒng)性能

在“LDO基礎(chǔ)知識(shí)：電源抑制比”一文中，Aaron Paxton討論了使用低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 來(lái)過(guò)濾開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的紋波電壓。然而，這并不是實(shí)現(xiàn)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(huì)自行產(chǎn)生一定量的噪聲。選擇低噪聲LDO并采取措施來(lái)降低內(nèi)部噪聲對(duì)于生成不會(huì)影響系統(tǒng)性能的清潔電源軌而言不可或缺。

識(shí)別噪聲

理想的 LDO 會(huì)生成沒(méi)有交流元件的電壓軌。遺憾的是，LDO 會(huì)像其他電子器件一樣自行產(chǎn)生噪聲。圖 1 顯示了這種噪聲在時(shí)域中的表現(xiàn)方式。

圖1 電源噪聲的屏幕截圖

時(shí)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(lái)識(shí)別LDO輸出端的各種交流元件。應(yīng)用報(bào)告“如何測(cè)量LDO 噪聲”詳細(xì)介紹了噪聲測(cè)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(guān)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(lái)自內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，但誤差放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和電阻分壓器也會(huì)產(chǎn)生一定噪聲。

在確定相關(guān)頻率范圍的噪聲曲線時(shí)，跨頻率查看輸出噪聲會(huì)有所助益。例如，音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)關(guān)心電源噪聲可能會(huì)降低音質(zhì)的可聽(tīng)頻率（20Hz至20kHz）。

數(shù)據(jù)表通常為同類(lèi)比較提供單一綜合噪聲值。輸出噪聲通常在10Hz至100kHz范圍內(nèi)積分，并以微伏均方根 (μVRMS) 表示。一些半導(dǎo)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(nèi)進(jìn)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(duì)應(yīng)的積分噪聲值。德州儀器提供的LDO產(chǎn)品系列，其集成噪聲值測(cè)量值可低至0.47μVRMS。

降低噪聲

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

降噪電容器

TI 產(chǎn)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(shí)現(xiàn)降噪功能的常見(jiàn)拓?fù)洹?/p>

圖3 帶有NR/SS引腳的LDO的常見(jiàn)拓?fù)?/em>

該引腳的功能是雙重的。它用于過(guò)濾來(lái)自內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的噪聲，并在啟動(dòng)期間降低壓擺率或啟用LDO。

在此引腳 (CNR/SS) 上添加一個(gè)電容器可形成一個(gè)具有內(nèi)部電阻的電阻電容 (RC) 濾波器，有助于分流由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的不良噪聲。由于基準(zhǔn)電壓是噪聲的主要來(lái)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(duì)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(guān)系

如圖 4 所示，較大的CNR/SS值會(huì)產(chǎn)生更好的噪聲系數(shù)。在某個(gè)時(shí)刻，增大電容將不再降低噪聲。剩余的噪聲來(lái)自誤差放大器、FET等。

添加電容器還會(huì)在啟動(dòng)期間引入RC延遲，從而導(dǎo)致輸出電壓以較慢的速度斜升。當(dāng)輸出或負(fù)載上存在大容量電容并且您需要減輕浪涌電流時(shí)，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(shí)現(xiàn)后者，如圖 5 所示的TPS7A85相關(guān)內(nèi)容。

圖5 TPS7A85 的啟動(dòng)過(guò)程與 CNR/SS 的關(guān)系

如您所見(jiàn)，增加CNR/SS值會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而防止浪涌電流尖峰并可能觸發(fā)限流事件。請(qǐng)注意，某些具有NR引腳的LDO不會(huì)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。它們能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)電路，即便使用大型降噪電容器也有助于實(shí)現(xiàn)超短啟動(dòng)時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

低噪聲LDO對(duì)于確保清潔直流電源至關(guān)重要。選擇具有低噪聲特性的LDO并實(shí)施相關(guān)技術(shù)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(shì)：它使您能夠控制壓擺率和過(guò)濾基準(zhǔn)噪聲。有關(guān)使用LDO進(jìn)行設(shè)計(jì)的更多提示，請(qǐng)查看LDO基礎(chǔ)知識(shí)系列中的其他文章。