低压差线性稳压器(LDO)的噪音问题解析(一)

2012-12-28 12:14:16来源: 互联网 关键字: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。

关键字:低压  差线性  稳压器  LDO

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1228/article_17868.html
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