如何減少LDO輸出噪聲和控制壓擺率

在一篇LDO基礎(chǔ)知識(shí)博文中，我討論了使用低壓差穩(wěn)壓器(LDO)過(guò)濾因開(kāi)關(guān)模式電源導(dǎo)致的紋波電壓。然而，這不是獲得凈化直流電源唯一要考慮的事情。因?yàn)長(zhǎng)DO是電子設(shè)備，它們自身也會(huì)生成一定數(shù)量的噪聲。選擇使用低噪聲LDO和采取步驟減少內(nèi)部噪聲，都可以在不損害系統(tǒng)性能的同時(shí)形成凈化電源軌的不可分割的措施。

識(shí)別噪聲

理想的LDO具備沒(méi)有交流元件的電壓軌。但缺點(diǎn)在于LDO會(huì)和其他電子設(shè)備一樣生成本體噪聲。圖 1 顯示了這種噪聲在時(shí)間域中的表現(xiàn)。

圖 1：有噪聲電源的輸出噪聲快照

在時(shí)間域中進(jìn)行分析是困難的。因此，有兩個(gè)主要方法來(lái)檢驗(yàn)噪聲：跨越整個(gè)頻譜，和作為綜合值。 您可以使用頻譜分析工具來(lái)識(shí)別LDO輸出線路中的各種交流元件。（應(yīng)用報(bào)告，“如何測(cè)量LDO噪聲,”介紹了豐富的噪聲測(cè)量知識(shí)。) 圖 2 繪制了1A低噪聲LDO TPS7A91的輸出噪聲。

圖 2：TPS7A91噪聲頻譜密度 vs. 頻率和VOUT

如您從各種曲線看到的那樣，輸出噪聲（以每平方根赫茲[μV/ Hz]來(lái)表示）集中在頻譜低端。該噪聲大部分出自內(nèi)部參考電壓，以及誤差放大器FET和電阻分壓器。

分析跨越整個(gè)頻譜的輸出噪聲，能幫助我們確定感興趣噪聲范圍的噪聲曲線。例如，音響應(yīng)用設(shè)計(jì)師很關(guān)注人耳可聞?lì)l率（20Hz到20kHz），而電源噪聲可能使聲音品質(zhì)下降。

在進(jìn)行蘋(píng)果設(shè)備之間的比較時(shí)，數(shù)據(jù)表通常提供的是單一、綜合噪聲值。輸出噪聲一般是綜合10Hz到100kHz的噪聲，用微伏均方根(μVRMS)表示。（各廠商還將綜合來(lái)自100Hz到100kHz的噪聲，或者綜合來(lái)自自定義頻率范圍的噪聲?；谒x頻率范圍進(jìn)行綜合，有助屏蔽不討人喜歡的噪音屬性，因此，檢查除綜合值外的噪聲曲線很重要。）圖 2 顯示了對(duì)應(yīng)各曲線的綜合噪聲值。德州儀器供應(yīng)的LDO系列綜合噪聲值低至3.8μVRMS。

降噪

除選擇低噪聲質(zhì)量的LDO外，您還可以采用幾種技術(shù)來(lái)確保您的LDO具有最低噪聲特性。這些技術(shù)包括使用降噪和前饋電容器。我將在下一篇博文中探討使用前饋電容器。

降噪電容器

TI的許多低噪聲LDO系列都具有專門(mén)用作“NR/SS”的專用引腳，如圖 3 所示。

圖 3：具有NR/SS引腳的NMOS LDO

該引腳的功能有兩個(gè)：它用于過(guò)濾來(lái)自內(nèi)部參考電壓的噪聲，及降低啟動(dòng)過(guò)程中的壓擺率或啟用LDO。

為該引腳添加一個(gè)電容器(CNR/SS)，就可以形成具有內(nèi)部電阻的RC濾波器，有助于把由參考電壓生成的無(wú)用噪聲分流。由于參考電壓是噪聲的主要來(lái)源，增加電容可推送左側(cè)低通濾波器的截止頻率。圖 4 顯示了該電容器對(duì)輸出噪聲的作用結(jié)果。

圖 4：TPS7A91噪聲頻譜密度 vs. 頻率和CNR/SS

如圖 4 所示，更高的CNR/SS值會(huì)產(chǎn)生更理想的噪聲值。當(dāng)達(dá)到某個(gè)點(diǎn)后，再增加電容值也不再能夠降低噪聲。其余噪聲來(lái)自誤差放大器和FET等。

增加電容器還在啟動(dòng)期間形成了電阻電容延遲，這將使輸出電壓以較低速率上升。當(dāng)輸出或負(fù)荷中出現(xiàn)了大容量電容，有益的做法是降低啟動(dòng)電流。

等式 1 中啟動(dòng)電流等于：

為降低啟動(dòng)電流，您必須減小輸出電容或降低壓擺率。幸好，CNR/SS 有助實(shí)現(xiàn)后者，如圖 5 TPS7A85所示。

圖 5：TPS7A85的啟動(dòng) vs. CNR/SS

如您所見(jiàn)，增加CNR/SS值會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，可防止出現(xiàn)尖峰啟動(dòng)電流和潛在可能觸發(fā)電流值達(dá)到極限的情況。

概要

低噪聲LDO對(duì)于確保凈化直流電源至關(guān)重要。選擇具有低噪聲屬性的LDO和合理利用都不容忽視，這樣才能保障盡量?jī)艋妮敵?。使用NR/SS電容器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它可幫助您控制壓擺率和過(guò)濾參考噪聲。

審核編輯：郭婷