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LDO基礎知識:噪聲

2019-06-06 15:07:20 來源:EETOP
LDO基礎知識:噪聲(1)

在一篇LDO基礎知識博文中,我討論了使用低壓差穩壓器(LDO)過濾因開關模式電源導致的紋波電壓。然而,這不是獲得凈化直流電源唯一要考慮的事情。因為LDO是電子設備,它們自身也會生成一定數量的噪聲。選擇使用低噪聲LDO和采取步驟減少內部噪聲,都可以在不損害系統性能的同時形成凈化電源軌的不可分割的措施。
 

識別噪聲
 

理想的LDO具備沒有交流元件的電壓軌。但缺點在于LDO會和其他電子設備一樣生成本體噪聲。圖 1 顯示了這種噪聲在時間域中的表現。
 

圖 1:有噪聲電源的輸出噪聲快照
 

在時間域中進行分析是困難的。因此,有兩個主要方法來檢驗噪聲:跨越整個頻譜,和作為綜合值。 您可以使用頻譜分析工具來識別LDO輸出線路中的各種交流元件。(應用報告,“如何測量LDO噪聲,”介紹了豐富的噪聲測量知識。) 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]來表示)集中在頻譜低端。該噪聲大部分出自內部參考電壓,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,音響應用設計師很關注人耳可聞頻率(20Hz到20kHz),而電源噪聲可能使聲音品質下降。
 

在進行蘋果設備之間的比較時,數據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。(各廠商還將綜合來自100Hz到100kHz的噪聲,或者綜合來自自定義頻率范圍的噪聲。基于所選頻率范圍進行綜合,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 顯示了對應各曲線的綜合噪聲值。德州儀器供應的LDO系列綜合噪聲值低至3.8μVRMS。
 

降噪
 

除選擇低噪聲質量的LDO外,您還可以采用幾種技術來確保您的LDO具有最低噪聲特性。這些技術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:它用于過濾來自內部參考電壓的噪聲,及降低啟動過程中的壓擺率或啟用LDO。
 

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

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值會產生更理想的噪聲值。當達到某個點后,再增加電容值也不再能夠降低噪聲。其余噪聲來自誤差放大器和FET等。
 

增加電容器還在啟動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。當輸出或負荷中出現了大容量電容,有益的做法是降低啟動電流。
 

等式 1 中啟動電流等于:


為降低啟動電流,您必須減小輸出電容或降低壓擺率。幸好,CNR/SS 有助實現后者,如圖 5 TPS7A85所示。
 

圖 5:TPS7A85的啟動 vs. CNR/SS
 

如您所見,增加CNR/SS值會延長啟動時間,可防止出現尖峰啟動電流和潛在可能觸發電流值達到極限的情況。
 

概要
 

低噪聲LDO對于確保凈化直流電源至關重要。選擇具有低噪聲屬性的LDO和合理利用都不容忽視,這樣才能保障盡量凈化的輸出。使用NR/SS電容器有兩個優點:它可幫助您控制壓擺率和過濾參考噪聲。欲更多了解有關LDO的見解,請參閱LDO基礎系列中的其他博文。
 

LDO基礎知識:噪聲(2)
 

噪聲 – 第1部分中,我探討了如何減少輸出噪聲和控制壓擺率,方法是為參考電壓(CNR/SS)并聯一個電容器。在本篇博文中,我將討論降低輸出噪聲的另一種方法:使用前饋電容(CFF)。
 

什么是前饋電容?
 

前饋電容是一個可選的頂容器,與電阻分壓器的上半部電阻并聯,如圖 1 所示。
 

圖 1:使用前饋電容的NMOS低壓差穩壓器(LDO)
 

與降噪電容(CNR/SS)相似,添加前饋電容具有多種效果。最主要的是降噪,還包括改進穩定性、負荷響應和電源抑制比(PSRR)。(應用報告“使用前饋電容的低壓差穩壓器的優缺點,”詳盡討論了這些益處。)值得注意的是只有使用可調節LDO時才能使用前饋電容,因為此時電阻網絡在外部。
 

降噪
 

LDO進行調節時會使用誤差放大器,而誤差放大器會使用電阻網絡(R1和R2)來提高參考電壓的增益,從而驅動FET的柵極,這與同相放大器非常相似。參考的直流電壓將增加???倍。不過,考慮到誤差放大器的帶寬,您還可以寄望于參考電壓某些交流元件的放大功能。
 

通過為電阻分壓器上半部分電阻并聯電容器,您就針對特定頻率范圍引入了一個分流器。換言之,您使該頻率范圍內的交流元件貢獻于單位增益,此時R1模擬短路的情況。(請牢記所用電容器的阻抗屬性,以便確定該頻率范圍。) 如圖 2 所示,您可以看到使用不同CFF值時,TPS7A91的噪聲下降效果。
 

圖 2:TPS7A91噪聲 vs. 頻率和CFF值
 

通過為電阻分壓器上半部分電阻并聯一個100nF電容器,可將噪聲從9μVRMS降至4.9μVRMS.
 

改進穩定性和瞬態響應
 

添加一個CFF還為LDO反饋環路引入了零點(ZFF)和極點(PFF),它們的計算見等式 1 和 2:

ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF) (1)

PFF = 1 / (2 x π x R1 // R2 x CFF) (2)
 

在達到發生單位增益的頻率之前就形成零點,可以改善相位裕度,如圖 3 所示。
 

圖 3:僅使用前饋補償的典型LDO的增益/相位圖
 

您可以看到如果沒有ZFF,單位增益的發生大約將提前約200kHz。通過添加零點,單位增益頻率向右移動了一點(~300kHz),但是相位裕度也增加了。由于PFF位于單位增益頻率的右側,所以它對于相位裕度的影響也最小。
 

在改進LDO的負荷瞬態響應后,將看到相位裕度的明顯增加。在相位裕度增加后,LDO輸出將減少振鈴并更快速穩定。
 

改善PSRR
 

取決于零點和極點的設置,您還可以巧妙減少增益漂移。圖 3 顯示了零點對從100kHz開始的增益下降的影響。通過提高頻段內的增益,您還將改進該頻段的環路響應。這會改善該特定頻率范圍的PSRR。參見圖4。
 

圖 4:TPS7A8300 PSRR vs. 頻率和CFF值
 

如圖所示,增加CFF電容值,會將零點推向左側。催生較低頻率范圍內產生更佳的環路響應和相應PSRR。
 

當然,您必須選擇CFF值和適當添加零點ZFF和極點PFF,這樣才不會造成不穩定。遵守上面這個數據表給出的CFF限值,即可防止不穩定情況的出現。大電容值CFF會造成前述應用報告介紹的其他問題。
 

表 1 列出了有關CNR和CFF如何影響噪聲的經驗法則。
 

表 1:CNR和CFF vs 頻率
 

結論
 

正如本文論述的那樣,添加一個前饋電容可降噪,改進穩定性、負荷響應和PSRR。當然,您必須仔細選擇電容器才能維持穩定性。如果采用降噪電容器,交流性能將獲得大幅改善。這些是您需要牢記以便優化電源的幾個方法。

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