LDO基础知识

LDO基础知识
LDO基础知识,有关噪声的那些事
使用低压差稳压器(LDO)过滤因开关模式电源导致的纹波电压，并不是获得净化直流电源唯一要考虑的事情。

因为LDO是电子设备，它们自身也会生成一定数量的噪声。

选择使用低噪声LDO和采取步骤减少内部噪声，都可以在不损害系统性能的同时形成净化电源轨的不可分割的措施。

识别噪声
理想的LDO具备没有交流元件的电压轨。

但缺点在于LDO会和其他电子设备一样生成本体噪声。

图1 显示了这种噪声在时间域中的表现。

图1：有噪声电源的输出噪声快照
在时间域中进行分析是困难的。

因此，有两个主要方法来检验噪声：跨越整个频谱，和作为综合值。

您可以使用频谱分析工具来识别LDO输出线路中的各种交流元件。

（应用报告，“如何测量LDO噪声,”介绍了丰富的噪声测量知识。

) 图 2 绘制了1A低噪声LDO TPS7A91的输出噪声。

图2：TPS7A91噪声频谱密度vs. 频率和VOUT
如您从各种曲线看到的那样，输出噪声（以每平方根赫兹[μV/ H z]来表示）集中在频谱低端。

该噪声大部分出自内部参考电压，以及误差放大器FET和电阻分压器。

分析跨越整个频谱的输出噪声，能帮助我们确定感兴趣噪声范围的噪声曲线。

例如，音响应用设计师很关注人耳可闻频率（20Hz到20kHz），而电源噪声可能使声音品质下降。

在进行苹果设备之间的比较时，数据表通常提供的是单一、综合噪声值。

输出噪声一般是综合10Hz到100kHz的噪声，用微伏均方根(μVRMS)表示。

（各厂商还将综合来自100Hz到100kHz的噪声，或
者综合来自自定义频率范围的噪声。

基于所选频率范围进行综合，有助屏蔽不讨人喜欢的噪音属性，因此，检查除综合值外的噪声曲线很重要。

）图 2 显示了对应各曲线的综合噪声值。

德州仪器供应的LDO 系列综合噪声值低至3.8μVRMS。

降噪
除选择低噪声质量的LDO外，您还可以采用几种技术来确保您的LDO具有最低噪声特性。

这些技术包括使用降噪和前馈电容器。

我将在下一篇文章中探讨使用前馈电容器，敬请关注。

降噪电容器
TI 的许多低噪声LDO系列都具有专门用作“NR/SS”的专用引脚，如图3 所示。

图3：具有NR/SS引脚的NMOS LDO
该引脚的功能有两个：它用于过滤来自内部参考电压的噪声，及降低启动过程中的压摆率或启用LDO。

为该引脚添加一个电容器(CNR/SS)，就可以形成具有内部电阻的RC滤波器，有助于把由参考电压生成的无用噪声分流。

由于参考电压是噪声的主要来源，增加电容可推送左侧低通滤波器的截止频率。

图4 显示了该电容器对输出噪声的作用结果。

图4：TPS7A91噪声频谱密度vs. 频率和CNR/SS
如图4 所示，更高的CNR/SS值会产生更理想的噪声值。

当达到某个点后，再增加电容值也不再能够降低噪声。

其余噪声来自误差放大器和FET等。

增加电容器还在启动期间形成了电阻电容延迟，这将使输出电压以较低速率上升。

当输出或负荷中出现了大容量电容，有益的做法是降低启动电流。

等式 1 中启动电流等于97
为降低启动电流，您必须减小输出电容或降低压摆率。

幸好，
CNR/SS 有助实现后者，如图 5 TPS7A85所示：
图5：TPS7A85的启动vs. CNR/SS
如您所见，增加CNR/SS值会延长启动时间，可防止出现尖峰启动电流和潜在可能触发电流值达到极限的情况。

概要
低噪声LDO对于确保净化直流电源至关重要。

选择具有低噪声属性的LDO和合理利用都不容忽视，这样才能保障尽量净化的输出。

使用NR/SS电容器有两个优点：它可帮助您控制压摆率和过滤参考噪声。

前馈电容是一个可选的顶容器，与电阻分压器的上半部电阻并联，如图 1 所示。

图1：使用前馈电容的NMOS低压差稳压器(LDO)
与降噪电容(CNR/SS)相似，添加前馈电容具有多种效果。

最主要的是降噪，还包括改进稳定性、负荷响应和电源抑制比(PSRR)。

（应用报告“使用前馈电容的低压差稳压器的优缺点,”详尽讨论了这些益处。

）值得注意的是只有使用可调节LDO时才能使用前馈电容，因为此时电阻网络在外部。

LDO进行调节时会使用误差放大器，而误差放大器会使用电阻网络（R1和R2）来提高参考电压的增益，从而驱动FET的栅极，这与同相放大器非常相似。

参考的直流电压将增加数倍。

不过，考虑到误差放大器的带宽，您还可以寄望于参考电压某些交流元件的放大功能。

通过为电阻分压器上半部分电阻并联电容器，您就针对特定频率范围引入了一个分流器。

换言之，您使该频率范围内的交流元件贡献于单位增益，此时R1模拟短路的情况。

（请牢记所用电容器的阻抗属性，以便确定该频率范围。

）
如图 2 所示，您可以看到使用不同CFF值时，TPS7A91的噪声下降效果。

图2：TPS7A91噪声vs. 频率和CFF值
通过为电阻分压器上半部分电阻并联一个100nF电容器，可将噪声从9μVRMS降至4.9μVRMS。

添加一个CFF还为LDO反馈环路引入了零点(ZFF)和极点(PFF)，它们的计算见等式 1 和2：
在达到发生单位增益的频率之前就形成零点，可以改善相位裕度，如图 3 所示。

图3：仅使用前馈补偿的典型LDO的增益/相位图
您可以看到如果没有ZFF，单位增益的发生大约将提前约200kHz。

通过添加零点，单位增益频率向右移动了一点(~300kHz)，但是相位裕度也增加了。

由于PFF位于单位增益频率的右侧，所以它对于相位裕度的影响也最小。

在改进LDO的负荷瞬态响应后，将看到相位裕度的明显增加。

在相位裕度增加后，LDO输出将减少振铃并更快速稳定。

取决于零点和极点的设置，您还可以巧妙减少增益漂移。

图3 显示了零点对从100kHz开始的增益下降的影响。

通过提高频段内的增益，您还将改进该频段的环路响应。

这会改善该特定频率范围的PSRR。

参见图4。

图4：TPS7A8300 PSRR vs. 频率和CFF值
如图所示，增加CFF电容值，会将零点推向左侧。

催生较低频率范围内产生更佳的环路响应和相应PSRR。

当然，您必须选择CFF值和适当添加零点ZFF和极点PFF，这样才不会造成不稳定。

遵守上面这个数据表给出的CFF限值，即可防止不稳定情况的出现。

大电容值CFF会造成前述应用报告介绍的其他问题。

表 1 列出了有关CNR和CFF如何影响噪声的经验法则。

表1：CNR和CFF vs 频率
正如本文论述的那样，添加一个前馈电容可降噪，改进稳定性、
负荷响应和PSRR。

当然，您必须仔细选择电容器才能维持稳定性。

如果采用降噪电容器，交流性能将获得大幅改善。

这些是您需要牢记以便优化电源的几个方法。