RF電路中穩(wěn)壓器的PSRR和噪聲

LDO是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比(PSRR)。SGM2007高性能低壓差線性穩(wěn)壓器在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲為30μV(RMS)，在1kHz的頻率下電源抑制比(PSRR)高達(dá)73dB，它能夠?yàn)橹T如射頻（RF）接收器和發(fā)送器、壓控振蕩器（VCO）和音頻放大器等對(duì)噪聲敏感的模擬電路的供電提供低噪聲、電源紋波抑制比（PSRR）和快速瞬態(tài)響應(yīng)，它的使能電路兼容TTL電平適合數(shù)字電路供電。SGM2007的輸入電壓在2.5V至5.5V之間，適合藍(lán)牙數(shù)碼相機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理（PDA），以及諸如無(wú)線和高端音頻產(chǎn)品等單個(gè)鋰電池供電或固定3.3V和5V系統(tǒng)。
　　
LDO的低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反電阻網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電路等，基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開(kāi)始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：

Vout=（R1+R2）/R2*Vref
　　
Powersupplyripplerejectionratio(PSRR)是反應(yīng)LDO輸出對(duì)輸入紋波抑制的一個(gè)交流參數(shù)，輸出和輸入的頻率是一樣的。和噪聲（Nosie）不同，噪聲一般為在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)一定輸入電壓下其輸出噪聲電壓的均方值,PSRR的單位是dB。

PSRR=20log（△vin/△vout）
　　
大多數(shù)蜂窩電話基帶芯片組需要三組電源：內(nèi)部數(shù)字電路、模擬電路和外設(shè)接口電路。基帶處理器（BB）的數(shù)字電路供電電壓的典型值為1.8V至2.6V，一般情況下，Li+電池電壓降至3.2V-3.3V時(shí)電話將被關(guān)閉，對(duì)于為基帶處理器供電的LDO來(lái)說(shuō)至少有500至600mV的壓差，因此對(duì)壓差要求不高。另外，數(shù)字電路本身對(duì)LDO的輸出噪聲和PSRR的要求也不高，而是要求LDO在輕載條件下具有極低的靜態(tài)電流。
　　
基帶處理器內(nèi)部模擬電路供電電壓典型值是2.4V至3.0V，壓差在200mV至600mV。要求LDO具有較高的低頻（GSM電話為217Hz）紋波抑制能力，消除由RF功率放大器產(chǎn)生的電池電壓紋波。LDO始終保持有效工作狀態(tài)，同樣需要較低的靜態(tài)電流指標(biāo)。

RF電路分為接收和發(fā)送兩部分，供電電壓典型值為2.6V至3.0V，其中低噪聲放大器（LNA）、混頻器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和中頻（IF）電路需要低噪聲、高PSRR的LDO。實(shí)際應(yīng)用中，VCO、PLL電路的性能直接影響射頻電路指標(biāo)，如發(fā)射頻譜的純度、接收器的選擇性、模擬收發(fā)器的噪聲、數(shù)字電路的相位誤差等。噪聲會(huì)改變振蕩器的相頻和幅頻特性，同時(shí)振蕩器環(huán)路也會(huì)進(jìn)一步放大噪聲，可能對(duì)載波產(chǎn)生調(diào)制。LDO輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計(jì)和外部旁路、補(bǔ)償電路的影響。如圖是線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單框圖。導(dǎo)致LDO輸出噪聲的主要來(lái)源是基準(zhǔn)。


為降低基準(zhǔn)噪聲，用于連接基準(zhǔn)旁路電容。增大旁路電容能夠使基準(zhǔn)噪聲成為產(chǎn)生LDO輸出噪聲的次要因素，有利于減小輸出噪聲。建議使用陶瓷電容的典型值為470pF到0.01μF。也可使用此范圍以外的電容，但會(huì)對(duì)輸入電源上電時(shí)LDO輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時(shí)這點(diǎn)要注意。
　　
影響LDO輸出噪聲的其它因素還有：LDO內(nèi)部極點(diǎn)、零點(diǎn)和輸出極點(diǎn)。增大輸出電容的容量或減輕輸出負(fù)載有利于降低高頻輸出噪聲。如圖為旁路電容對(duì)SG2001輸出噪聲影響。


如圖為旁路電容對(duì)SGM2007PSRR影響

LDO需要增加外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態(tài)性能。陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串電阻(ESR)會(huì)影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10mΩ量級(jí)采用陶瓷電容時(shí)，建議使用X5R和X7R電介質(zhì)材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂休^好的溫度穩(wěn)定性。圖為X5R的ESR和頻率曲線。


　 如圖為輸出電容對(duì)PSRR的影響。大電容器一般在一定頻率范圍內(nèi)會(huì)提高電源抑制比(PSRR)

為射頻電路選擇LDO時(shí)，要慎重比較噪聲指標(biāo)，和電源抑制比(PSRR)，確保旁路電容、輸出電容和負(fù)載條件一致。新型音頻電路，如免提電話、游戲機(jī)、MP3及蜂窩電話中的多媒體電路，可能需要300mA-500mA的大電流LDO，LDO要在音頻范圍（20Hz至20kHz）應(yīng)具有低噪聲、高PSRR特性，以保證良好的音質(zhì)。