了解 LDO 中的噪聲和 PSRR

在本文中，我們將介紹噪聲和電源抑制比 (PSRR) 在低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器中的影響。讓我們簡要討論一下什么是 LDO。

低壓差或 LDO 穩(wěn)壓器是一種直流線性穩(wěn)壓器，即使提供給它的輸入電壓幾乎等于輸出電壓，也可以通過它來控制輸出電壓。LDO 有兩個組件——功率 FET 和一個差分放大器（誤差放大器）。LDO的配置見下圖：

低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器中的噪聲源可分為兩大類，即固有的和外部的。LDO 中的固有噪聲有兩個主要來源：
1. 內(nèi)部參考電壓。
2. 誤差放大器。

而外部噪聲就像噴氣式飛機(jī)的噪聲，是從電路外部的源傳遞的。

為了獲得 15 μA 或更低的靜態(tài)電流，現(xiàn)代 LDO 使用幾十納安的內(nèi)部偏置電流進(jìn)行管理。

降低 LDO 噪聲的兩種主要方法是：
1. 濾波參考電壓(基準(zhǔn)電壓)
2. 降低誤差放大器的噪聲增益

在某些 LDO 中，使用外部電容器對基準(zhǔn)進(jìn)行濾波?，F(xiàn)實(shí)情況是，為了達(dá)到低噪聲條件，許多所謂的超低噪聲 LDO 需要一個外部噪聲衰減電容器。不幸的是，由于沒有進(jìn)入反饋節(jié)點(diǎn)的權(quán)利，因此無法降低固定輸出 LDO 的輸出噪聲。如果誤差放大器的噪聲貢獻(xiàn)大于參考噪聲的貢獻(xiàn)，則可以通過降低誤差放大器的噪聲增益來降低 LDO 的整體噪聲。

確定誤差放大器是否是主要噪聲貢獻(xiàn)者的唯一方法是將固定版本的噪聲與特定 LDO 的可變版本的噪聲進(jìn)行比較。如果固定 LDO 的噪聲量小于可變 LDO，那么我們可以說誤差放大器是主要的噪聲源。

該圖顯示了一個 2.5 V 輸出可修改 LDO，其中 R1、R2、R3 和 C1 是外部組件。

R3 用于將放大器的高頻增益設(shè)置為 1.5 倍至 2 倍。而C1則用于將降噪系統(tǒng)（C1、R1和R3）的低頻零位設(shè)置在10Hz和100Hz之間，以確保將噪聲降低到1/f。

降噪 (NR) 網(wǎng)絡(luò)對高壓自適應(yīng) LDO 的噪聲頻譜密度的結(jié)果如下圖所示。

在上圖中，可以看出，在 20 Hz 和 2 kHz 之間，噪聲性能提高了大約三倍 (~10 dB)。

PSRR 代表“電源抑制比”，隨著集成水平的提高，它在現(xiàn)代片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)中逐漸成為越來越重要的參數(shù)。

PSRR 是兩個傳遞函數(shù)之間的比率：
? 電源節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，即 (Asupply(ω))
? 輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn) A(ω) 的傳遞函數(shù)。A(ω) 也稱為開環(huán)傳遞函數(shù)。

PSRR(ω) = 20 · log [A(ω) /Asupply(ω)] [dB]

在哪里，

1/ Asupply(ω) 是電源增益的倒數(shù)，稱為 PSR。

從上面的等式可以明顯看出，PSRR 與 A(ω) 成正比，與 Asupply(ω) 成反比。因此，如果 Asupply(ω) 減小而開環(huán)增益 A(ω) 增大，則 PSRR 將增大。PSRR 基本上是 LDO 抑制輸入側(cè)出現(xiàn)的紋波的能力。在理想的 LDO 中，直流頻率將是唯一的輸出電壓。然而，由于高頻下出現(xiàn)的小尖峰，誤差放大器并不具有完美的功能。考慮到紋波，PSRR 表示如下：
PSRR=20 xlog RippleinputRippleoutput

LDO 具有：

PSRR= 55 分貝

頻率 = 1 MHz

輸入紋波 = 1mV

它可以將該頻率下的 1 mV 衰減至輸出端僅 1.78 μV。因此，PSRR 增加了 6dB，這等于衰減增加了 2 倍。

大多數(shù) LDO 在較低頻率（通常為 10 Hz – 1 kHz）下具有相對較高的 PSRR。在寬帶上具有高 PSRR 的 LDO 可以抑制非常高頻的噪聲，就像開關(guān)產(chǎn)生的噪聲一樣。
PSRR 會隨著頻率、溫度、電流、輸出電壓和電壓差等一些參數(shù)而波動。PSRR 應(yīng)為負(fù)值，因?yàn)樗糜谟?jì)算拒絕。但是，該圖表將其顯示為正數(shù)，因此圖表中的最高數(shù)字表示更高的噪聲抑制。

有多種測量 LDO 的 PSRR 的方法：

1. 使用LC求和節(jié)點(diǎn)測量PSRR：

測量 LDO 的 PSRR 的基本方法如下圖所示。

在這種方法中，兩個電壓（直流和交流）加在一起并施加到 LDO 的輸入端。工作點(diǎn)偏置電壓為 VDC，VAC 為噪聲源。在上圖中，電容 C 用于防止 VAC 短路 VDC，電感 L 防止 VDC 短路噪聲源。

在低頻下測量 PSRR 由電感器 L 和電容器 C 創(chuàng)建的高通濾波器決定。該濾波器的 3dB 點(diǎn)由以下
公式?jīng)Q定：Fmin=12ΠLCFmin=12ΠLC

當(dāng)頻率低于 3dB 點(diǎn)時，測量 PSRR 變得困難他們開始減弱。

2. 使用加法放大器測量 PSRR

為了獲得改進(jìn)的 PSRR 測量，描述了另一種方法，其中使用高帶寬放大器作為求和節(jié)點(diǎn)來插入信號，從而在 VAC 和 VDC 之間提供隔離。這種方法可以在下圖中看到：

在這種方法中，PSRR 是在無負(fù)載條件下測量的。

使用此方法時，在測量 PSRR 時必須牢記以下因素。
1. 輸入電容可能是高速放大器進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)的原因；在測量 PSRR 之前應(yīng)移除該電容。
2. 為了減少電感效應(yīng)，Vin 和 Vout 應(yīng)立即用示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。
3. 長線會增加電感并影響結(jié)果。這就是為什么測試裝置不應(yīng)該有任何長線。
4. 選擇 AC 和 DC 輸入值時應(yīng)考慮以下條件：
? VAC（最大值）+ VDC < LDO 的 VABS（最大值）
? VDC – VAC > LDO 的 VUVLO

如果滿足以下條件，將獲得最佳結(jié)果：
? VDC–VAC > Vout + Vdo + 0.5
其中：

Vout 是 LDO 的輸出電壓
Vdo 是工作點(diǎn)的特定壓降電壓。
5. 放大器的結(jié)果將開始衰減施加到 LDO 的非常高頻率的 VAC 信號。
6. MOSFET輸出阻抗與漏極電流成反比，導(dǎo)致LDO開環(huán)輸出阻抗降低，負(fù)載電流增加，增益降低。