使用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器提供清潔電源

線性穩(wěn)壓器集成電路（IC）將電壓從較高電壓降至較低電壓，無(wú)需電感器。低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器，其中壓差（維持穩(wěn)壓所需的輸入至輸出電壓之間的差值）通常低于400 mV。早期的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)提供~1.3 V量級(jí)的壓差，這意味著對(duì)于5 V輸入，器件保持穩(wěn)壓狀態(tài)的最大可實(shí)現(xiàn)輸出僅為~3.7 V。然而，在當(dāng)今更復(fù)雜的設(shè)計(jì)技術(shù)和晶圓制造工藝中，低的近似定義是<100 mV至300 mV左右。

此外，盡管LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的組件之一，但從成本/效益來(lái)看，它通常是最有價(jià)值的組件之一。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外，LDO穩(wěn)壓器的另一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的下游負(fù)載免受惡劣環(huán)境條件的影響，如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。簡(jiǎn)而言之，其設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固耐用，并包含吸收環(huán)境中懲罰所需的所有保護(hù)功能，同時(shí)保護(hù)負(fù)載。許多低成本LDO線性穩(wěn)壓器沒(méi)有必要的保護(hù)功能，因此失效，往往不僅會(huì)損壞穩(wěn)壓器本身，還會(huì)損壞下游負(fù)載。

LDO穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的比較

低壓降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)穩(wěn)壓器在很寬的電壓范圍內(nèi)以高效率工作，但需要外部元件（如電感器和電容器）才能工作，因此占用的電路板面積相對(duì)較大。無(wú)電感電荷泵（或開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器）也可用于實(shí)現(xiàn)較低的電壓轉(zhuǎn)換，并且通常根據(jù)轉(zhuǎn)換區(qū)域以更高的效率運(yùn)行，但輸出電流能力有限，瞬態(tài)性能較差，并且與線性穩(wěn)壓器相比需要更多的外部元件。

當(dāng)今新一代快速、高電流、低壓數(shù)字IC，如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC，對(duì)為內(nèi)核和I/O通道供電的電源提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)上，由于電荷泵缺乏必要的輸出電流和瞬態(tài)響應(yīng)，因此使用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器為這些器件供電。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問(wèn)題，有時(shí)它們的瞬態(tài)響應(yīng)較慢，布局受限。

因此，LDO穩(wěn)壓器是這些應(yīng)用以及其他低壓系統(tǒng)中的替代方案。得益于最近的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng)，LDO穩(wěn)壓器提供了一些性能優(yōu)勢(shì)，使其更受歡迎。

此外，當(dāng)涉及到為噪聲敏感的模擬/RF應(yīng)用供電時(shí)（常見于測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)，其中機(jī)器或設(shè)備的測(cè)量精度需要比被測(cè)實(shí)體高幾個(gè)數(shù)量級(jí)），LDO穩(wěn)壓器通常優(yōu)于開關(guān)穩(wěn)壓器。低噪聲LDO穩(wěn)壓器為各種模擬/RF設(shè)計(jì)供電，包括頻率合成器（PLL/VCO）、RF混頻器和調(diào)制器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及精密傳感器。然而，這些應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了測(cè)試傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器極限的靈敏度。例如，在許多高端VCO中，電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲（抖動(dòng)）。此外，為了滿足整體系統(tǒng)效率要求，LDO穩(wěn)壓器通常會(huì)對(duì)噪聲相對(duì)較大的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后置調(diào)節(jié)，因此LDO的高頻電源紋波抑制（PSRR）性能變得至關(guān)重要。此外，與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LDO穩(wěn)壓器的噪聲水平可以從mV （rms）范圍降低到個(gè)位數(shù)μV （rms）范圍，從而降低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。

LDO設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

一些IC，如運(yùn)算放大器和儀表放大器，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），被稱為雙極性，因?yàn)樗鼈冃枰獌蓚€(gè)輸入電源供電：一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極。正電源軌通常由一個(gè)正基準(zhǔn)電壓源供電，或者更好的是，由線性或低壓差穩(wěn)壓器供電。傳統(tǒng)上，負(fù)電源軌由負(fù)開關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電。但是，基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng)。隨著負(fù)穩(wěn)壓器的出現(xiàn)，使用負(fù)LDO穩(wěn)壓器為負(fù)系統(tǒng)軌供電并利用LDO穩(wěn)壓器的所有功能（無(wú)電感器、噪聲更低、PSRR更高、瞬態(tài)響應(yīng)快、防彈保護(hù)）變得非常有利。較老式LDO穩(wěn)壓器的PSRR和噪聲性能要差得多，雖然它們?nèi)钥捎糜趧?chuàng)建這些類型的靜音電源，但將系統(tǒng)組裝在一起需要大量額外的元件、電路板空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。這些額外的組件也會(huì)根據(jù)其特性（寄生電阻等）對(duì)功率預(yù)算產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于使用運(yùn)算放大器、ADC或其他信號(hào)鏈元件的客戶來(lái)說(shuō)，還有另一個(gè)困難的系統(tǒng)性能特征：這些IC不具有無(wú)限的電源抑制能力，更糟糕的是，在高頻下，電源抑制能力可能明顯降低。過(guò)去，這意味著在電路板上使用額外的濾波元件，這會(huì)增加解決方案尺寸。此外，如果設(shè)計(jì)人員試圖獲得更高的精度，如果穩(wěn)壓器電源噪聲過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致更多麻煩，從而在測(cè)量場(chǎng)景中造成不必要的變化。

許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器使用單電源執(zhí)行低壓差操作，但大多數(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)極低電壓轉(zhuǎn)換與低輸出噪聲、寬輸入/輸出電壓范圍和廣泛保護(hù)功能的組合。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)壓差并采用單電源供電，但在低輸入電壓下受到調(diào)整管VGS特性的限制，并且缺乏高性能穩(wěn)壓器的許多保護(hù)功能?；?NMOS 的器件提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但需要兩個(gè)電源來(lái)偏置器件。NPN 穩(wěn)壓器提供寬輸入和輸出電壓范圍，但它們需要兩個(gè)電源電壓或具有更高的壓差。相比之下，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)架構(gòu)，PNP 穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高 PSRR 和極低電壓轉(zhuǎn)換，并具有防彈保護(hù)功能，全部通過(guò)單電源軌實(shí)現(xiàn)。

為了獲得最佳的整體效率，許多高性能模擬和RF電路由LDO穩(wěn)壓器供電，對(duì)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后調(diào)節(jié)。這就要求LDO穩(wěn)壓器兩端在低輸入至輸出差分下具有高PSRR和低輸出電壓噪聲。具有高PSRR的LDO穩(wěn)壓器可輕松濾除和抑制開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端的噪聲，而無(wú)需笨重的濾波元件。此外，在寬帶寬范圍內(nèi)具有低輸出電壓噪聲的器件有利于當(dāng)今的現(xiàn)代電源軌，其中噪聲靈敏度是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。高電流下的低輸出電壓噪聲顯然是必備的規(guī)格。

新型超低噪聲、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器

很明顯，解決本文概述問(wèn)題的LDO解決方案應(yīng)具有以下屬性：

極低的輸出噪聲

在很寬的頻率范圍內(nèi)具有高 PSRR

低壓差操作

單電源供電（易于使用，緩解電源排序挑戰(zhàn)）

快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作

中等輸出電流能力

出色的熱性能

占地面積小

為了滿足這些特定需求，ADI公司推出了LT304x系列超高PSRR、超低噪聲正LDO穩(wěn)壓器。最新成員是互補(bǔ)型LT3094，這是一款超低噪聲、超高PSRR低壓差500 mA負(fù)線性穩(wěn)壓器。該器件是廣受歡迎的500 mA LT3045（LT3042用于200 mA）的負(fù)極版本。LT3094的獨(dú)特設(shè)計(jì)在10 kHz時(shí)具有僅2 nV/√Hz的超低點(diǎn)噪聲，在10 Hz至100 kHz寬帶寬內(nèi)具有0.85 μV rms積分輸出噪聲。PSRR 性能非常出色：低頻 PSRR 在接近 4 kHz 時(shí)超過(guò) 100 dB，在接近 2 MHz 的頻率下超過(guò) 70 dB，從而抑制嘈雜或高紋波輸入電源。LT3094 采用一種專有的 LDO 架構(gòu)：一個(gè)精準(zhǔn)電流源基準(zhǔn)，后接一個(gè)高性能單位增益緩沖器，從而實(shí)現(xiàn)幾乎恒定的帶寬、噪聲、PSRR 和負(fù)載調(diào)節(jié)性能，而與輸出電壓無(wú)關(guān)。此外，這種架構(gòu)允許多個(gè) LT3094 并聯(lián)，以進(jìn)一步降低噪聲、增加輸出電流并在印刷電路板上散發(fā)熱量。

LT3094在滿負(fù)載時(shí)提供高達(dá)500 mA的輸出電流和230 mV壓差，輸入電壓范圍為–2 V至–20 V。輸出電壓范圍為 0 V 至 –19.5 V，輸出電壓容差在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)具有 ±2% 的高精度。該器件的寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高 PSRR 和超低噪聲性能非常適合為噪聲敏感型應(yīng)用供電，如 PLL、VCO、混頻器和 LNA;極低噪聲儀器，如測(cè)試和測(cè)量，以及高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器;醫(yī)療應(yīng)用，如成像和診斷，以及精密電源;以及用于開關(guān)電源的后置穩(wěn)壓器。

LT3094采用小型低成本10 μF陶瓷輸出電容工作，可優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。單個(gè)電阻器負(fù)責(zé)設(shè)置外部精密電流限值 （±10% 的過(guò)熱值）。該器件的 VIOC 引腳控制上游穩(wěn)壓器，以最大限度地降低功耗并優(yōu)化 PSRR。單個(gè)SET引腳電容器可降低輸出噪聲并提供基準(zhǔn)軟啟動(dòng)功能，從而防止導(dǎo)通時(shí)輸出電壓過(guò)沖。此外，該器件的內(nèi)部保護(hù)電路包括帶折返的內(nèi)部電流限制和帶遲滯的熱限制。其他特性包括快速啟動(dòng)能力（在使用大值SET引腳電容器時(shí)非常有用）和電源良好標(biāo)志（業(yè)界首款具有此功能的負(fù)LDO穩(wěn)壓器），具有可編程閾值以指示輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖1.LT3094的典型應(yīng)用原理圖和特性。

LT3094 采用耐熱性能增強(qiáng)型 12 引腳、3 mm × 3 mm DFN 和 MSOP 封裝，均具有緊湊的占板面積。E 級(jí)和 I 級(jí)版本有現(xiàn)貨供應(yīng)，工作結(jié)溫為 –40°C 至 +125°C。

LT3094 需要一個(gè)輸出電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，建議使用低ESR和ESL陶瓷電容器。為了保持穩(wěn)定性，至少需要10 μF輸出電容，ESR低于30 mΩ，ESL低于1.5 nH。鑒于使用單個(gè)10 μF陶瓷輸出電容可實(shí)現(xiàn)高PSRR和低噪聲性能，較大的輸出電容值僅略微改善性能，因?yàn)榉€(wěn)壓器帶寬會(huì)隨著輸出電容的增加而降低，因此，使用大于最小10 μF的輸出電容幾乎沒(méi)有什么好處。盡管如此，較大的輸出電容值確實(shí)會(huì)降低負(fù)載瞬變期間的峰值輸出偏差。

圖2.LT3094 PSRR 性能。

圖3.LT3094 輸出噪聲性能。

并行設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)并聯(lián)多個(gè) LT3094 可獲得更高的輸出電流。 將所有 SET 引腳連接在一起，將所有 IN 引腳連接在一起。使用 PCB 走線的小片 （用作鎮(zhèn)流電阻器） 將 OUT 引腳連接在一起，以均衡 LT3094 中的電流。還可以并聯(lián)兩個(gè)以上的 LT3094，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲降低與并聯(lián)器件數(shù)量的平方根成正比。并聯(lián)多個(gè) LT3094 對(duì)于在 PCB 上分配熱量也很有用。對(duì)于具有高輸入至輸出電壓差的應(yīng)用，也可使用一個(gè)輸入串聯(lián)電阻器或與 LT3094 并聯(lián)的電阻器來(lái)散熱。并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)方案見圖4。

圖4.LT3094 并聯(lián)操作。

表1顯示了ADI公司的超高PSRR、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器系列的成員。

結(jié)論

正200 mALT3042、500 mALT3045以及現(xiàn)在的新型互補(bǔ)型LT3094負(fù)500 mA LDO提供了突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性，加上其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護(hù)功能/魯棒性和易用性，使其成為為測(cè)試和測(cè)量或醫(yī)療成像系統(tǒng)中的噪聲敏感雙極性正/負(fù)電源軌供電的理想選擇。憑借其基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)，噪聲和PSRR性能與輸出電壓無(wú)關(guān)。此外，多個(gè)器件可以直接并聯(lián)，以進(jìn)一步降低輸出噪聲，增加輸出電流并在PCB上傳播熱量。LT3042、LT3045 和 LT3094 節(jié)省了時(shí)間和成本，同時(shí)改善了應(yīng)用性能。

審核編輯：郭婷