【導(dǎo)讀】此應(yīng)用報告說明了 LDO 的噪聲與 PSRR 之間的差異，還說明了 LDO 數(shù)據(jù)表中噪聲的不同規(guī)定方式以及在應(yīng)用中應(yīng)采用的噪聲規(guī)格，最后說明了降低 LDO 噪聲的方法。
1 LDO 噪聲和 PSRR
低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 為調(diào)節(jié)由較高電壓輸入產(chǎn)生的輸出電壓提供了一種簡單方法。雖然操作簡單，但其自生噪聲在很多時候易與電源抑制比 (PSRR) 混淆。這兩者在很多情況下統(tǒng)稱為“噪聲”，這是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ肼暿怯蒐DO 內(nèi)部電路中的晶體管和電阻器以及外部元件產(chǎn)生的。噪聲類型有熱噪聲、閃爍噪聲和散粒噪聲。PSRR 可以衡量一個電路的電源抑制能力，表示為輸出噪聲與電源輸入噪聲的比值。它可測量電路在各種頻率下對輸入電源注入紋波的抑制能力。在 LDO 中，PSRR 是在寬頻率范圍內(nèi)輸出紋波與輸入紋波之比，單位為分貝 (dB)。PSRR的基本公式為方程式 1：
圖 1-1 說明了噪聲和 PSRR 之間的差異。LDO 噪聲包括內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而 PSRR 是 LDO 的一個內(nèi)部參數(shù)。LDO 用戶通常專注于 PSRR 而不是自生的輸出噪聲。PSRR 可抑制來自 LDO 外部的噪聲，但 LDO 內(nèi)部始終會產(chǎn)生噪聲。因此，具有高 PSRR 的 LDO 可能不會很好地抑制內(nèi)部噪聲。用戶應(yīng)始終考慮這兩個參數(shù)。
圖 1-1. LDO 的 PSRR 和噪聲
2 LDO 噪聲類型
噪聲是晶體管和電阻器內(nèi)產(chǎn)生的純物理現(xiàn)象。晶體管會產(chǎn)生散粒噪聲和閃爍噪聲。MOSFET 的電阻元件（如電阻器）也會產(chǎn)生熱噪聲。熱噪聲和散粒噪聲本質(zhì)上是隨機(jī)的，其功率在頻譜上是平坦的。在放大器帶寬范圍內(nèi)，功率都是平坦的。MOSFET 柵極上的電荷被捕獲時，會產(chǎn)生閃爍噪聲。散粒噪聲符合泊松分布，而 1/f 噪聲（閃爍噪聲）的功率與頻率成反比，即頻率越低，噪聲越高。1/f 噪聲是系統(tǒng)的主要噪聲來源，僅次于熱噪聲。（請參閱圖 2-1）
圖 2-1. LDO 噪聲（類型）
3 LDO 數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格
通常，數(shù)據(jù)表規(guī)定 LDO 噪聲的方式有兩種。一種是“總（積分）輸出噪聲，以 μVrms 為單位”，即在有限頻率范圍內(nèi)積分的頻譜噪聲密度 RMS 值。第二種是“頻譜噪聲密度曲線，以 μV/√Hz 為單位”，即噪聲密度與頻率的關(guān)系圖。 圖 3-1 顯示了 TPS717xx 系列 LDO 的兩種規(guī)格。
圖 3-1. 噪聲的兩種規(guī)定方式 (TPS717xx LDO)
由于輸出噪聲電壓規(guī)定為單個數(shù)字，因此非常適合用于比較。比較不同 LDO 的噪聲規(guī)格時，必須在相同的頻率范圍內(nèi)以及相同的輸出電壓和電流值下測量兩個穩(wěn)壓器的噪聲。
4 哪種規(guī)格適合您的應(yīng)用？
用戶應(yīng)該了解具體應(yīng)用需要哪種 LDO 噪聲規(guī)格，因為有些應(yīng)用與頻譜噪聲密度相關(guān)，而某些應(yīng)用可以利用總（積分）噪聲。以下示例對此進(jìn)行了說明。
1. 考慮一個射頻系統(tǒng)中 LDO 為壓控振蕩器 (VCO) 供電的例子。VCO 接收兩個輸入信號并將其混合為一個信號。如果兩個信號為 sin(ω1t) 和 sin(ω2)t，則混合后輸出 sin((ω1–ω2)t)、sin((ω1+ω2)t) 和諧波信號。射頻信號鏈通過 VCO 后，一般會進(jìn)入僅針對一種頻率調(diào)優(yōu)的帶通系統(tǒng)，即信號混合后，只有較高頻率的信號不會通過。大多數(shù)寬帶應(yīng)用都對每個頻帶的頻譜和功率進(jìn)行非常嚴(yán)格地調(diào)節(jié)。任何頻帶的寄生噪聲均須通過控制來滿足所謂的“傳輸掩模”要求。傳輸掩模對于最終產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)認(rèn)證而言非常重要。本底噪聲在較高頻率下產(chǎn)生的任何峰值，都可能導(dǎo)致傳輸信號超出傳輸掩模范圍，從而無法通過認(rèn)證測試。
如果供電導(dǎo)體或 LDO 輸出中出現(xiàn)噪聲，在 FR 頻率下的這一噪聲與載波頻率信號混合后，會產(chǎn)生兩個邊帶，如圖 4-1 所示。噪聲太高時，會使因噪聲而產(chǎn)生的邊帶超出傳輸掩模范圍，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
圖 4-1. 傳輸掩模和因噪聲產(chǎn)生的邊帶
同樣，假設(shè)射頻系統(tǒng)在 2.4GHz 頻率下工作，那么 LDO 噪聲會將 2.4GHz 上下的 VCO 噪聲頻譜提高至 LDO帶寬。在 VCO 原始噪聲圖中加入圖 2-1 所示的 LDO 噪聲后，中心頻率附近的 VCO 本底噪聲等級提高。
圖 4-2. LDO 噪聲提高了 VCO 本底噪聲
因此，在射頻應(yīng)用中，用戶應(yīng)使用頻譜噪聲密度曲線。因為單一噪聲無頻率相關(guān)性，不會準(zhǔn)確地表示最終輸出。
2. 假設(shè)在一個系統(tǒng)中 LDO 為 ADC 或 DAC 供電。任何采樣系統(tǒng)由于混疊現(xiàn)象都會使高頻噪聲的頻率降低。例如，如果采樣頻率為 100kHz，LDO 產(chǎn)生的噪聲為 90kHz 和 110kHz、190kHz 和 210kHz 等，則所有噪聲將折返至拍頻 10kHz。任何頻率的輸出噪聲都會出現(xiàn)這種情況，因此所有 LDO 噪聲都會折返至采樣系統(tǒng)的帶寬范圍內(nèi)。這相當(dāng)于對系統(tǒng)的直流噪聲到帶寬噪聲進(jìn)行積分，然后計算總噪聲。LDO 的總（積分）噪聲較高時，會影響 ADC/DAC 的性能。 圖 4-3 下面顯示了 LDO 噪聲混疊是如何發(fā)生的。第一個圖是由理想 LDO 供電的系統(tǒng)，第二個圖是由具有熱噪聲的 LDO 供電的系統(tǒng)（熱噪聲使本底噪聲增加），第三個圖是由具有高頻噪聲的 LDO 供電的系統(tǒng)（因混疊現(xiàn)象使頻率降低）。
圖 4-3. LDO 噪聲混疊
由于系統(tǒng)會使所有噪聲的頻率降低，并對噪聲進(jìn)行積分，因此，用戶在此應(yīng)用中應(yīng)使用總（積分）輸出噪聲。
5 如何降低 LDO 噪聲？
LDO 中的主要噪聲源來自帶隙基準(zhǔn)源。可使用兩種方法來降低 LDO 中的噪聲。下面內(nèi)容詳細(xì)說明了這兩種方法。
降低噪聲的一種方法是降低 LDO 帶寬，這可以通過降低 LDO 內(nèi)部誤差放大器的帶寬來實現(xiàn)。但是，如果我們降低誤差放大器的帶寬，則會降低 LDO 瞬態(tài)響應(yīng)速度。
另一種方法是使用低通濾波器 (LPF)。我們知道，LDO 噪聲的最主要來源是內(nèi)部的帶隙基準(zhǔn)源。因此，我們可在帶隙輸出和誤差放大器輸入之間插入一個 LPF，從而在誤差放大器將帶隙噪聲放大之前將其降低。通常，該 LPF由一個內(nèi)部大電阻器和一個外部電容器組成。此濾波器的截止頻率設(shè)置得越低越好，從而濾除幾乎所有的帶隙噪聲。
這里始終有一個問題：為什么占用大部分芯片面積的大功率導(dǎo)通元件（主要是 FET）不是主要噪聲源？答案是沒有增益。作為主要噪聲源的帶隙基準(zhǔn)源連接至誤差放大器的輸入端，因此會被誤差放大器的增益放大。我們知道，要研究輸出噪聲，首先要了解運算放大器輸入的每個噪聲影響因素；所以，要研究導(dǎo)通 FET 的噪聲，需要先找到噪聲的影響因素，即導(dǎo)通 FET 和誤差放大器輸入之間的開環(huán)增益。開環(huán)增益非常大，因此，導(dǎo)通 FET 的其他噪聲影響因素通常可以忽略不計。
總之，LDO 噪聲和 PSRR 都是選擇 LDO 時需要考慮的重要規(guī)格。這里有兩種 LDO 噪聲的規(guī)定方式，用戶應(yīng)查找適合其應(yīng)用的規(guī)格。
6 LDO 噪聲的影響
我們以具有集成 LDO（如 TPS57140-Q1）的直流/直流轉(zhuǎn)換器為例說明。
LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。在直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入端施加快速下降的輸入瞬態(tài)時，帶隙噪聲會產(chǎn)生不良影響。在輸入的快速下降沿期間，如果輸入的壓擺率高于特定值，直流/直流轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部 LDO 穩(wěn)壓器由于電源抑制比 (PSRR) 的限制，會發(fā)生復(fù)位。頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。例如，使用 TPS57140-Q1 設(shè)計仿真和基準(zhǔn)測試測量時，測得的壓擺率值為1.2V/μs。如果壓擺率高于此值，該器件將被禁用并重新進(jìn)行軟啟動。根據(jù) ESR × C × dV/dt，在通過 ESR 的瞬態(tài)電流越來越高的情況下，輸入電容器的 ESR 越高，越會對輸入電壓的壓擺率和轉(zhuǎn)換持續(xù)時間造成不利影響。因此，推薦使用低 ESR 陶瓷電容器。
參閱《直流/直流轉(zhuǎn)換器在快速輸入壓擺率應(yīng)用中的設(shè)計注意事項》 (SLVA693)，了解更多信息
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