淺談LDO的噪聲與PSRR之間的差異

本文詳細說明了 LDO 的噪聲與 PSRR 之間的差異，還說明了 LDO 數據表中噪聲的不同規定方式以及在應用中應采用的噪聲規格，最后說明了降低 LDO 噪聲的方法。

1 LDO 噪聲和 PSRR

低壓差線性穩壓器 (LDO) 為調節由較高電壓輸入產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稱為“噪聲”，這是不恰當的。噪聲是由 LDO 內部電路中的晶體管和電阻器以及外部元件產生的。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：?

（1）

圖 1-1說明了噪聲和 PSRR 之間的差異。LDO 噪聲包括內部噪聲和外部噪聲，而 PSRR 是 LDO 的一個內部參數。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 內部始終會產生噪聲。因此，具有高 PSRR 的 LDO 可能不會很好地抑制內部噪聲。用戶應始終考慮這兩個參數。

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產生的純物理現象。晶體管會產生散粒噪聲和閃爍噪聲。MOSFET 的電阻元件（如電阻器）也會產生熱噪聲。熱噪聲和散粒噪聲本質上是隨機的，其功率在頻譜上是平坦的。在放大器帶寬范圍內，功率都是平坦的。MOSFET 柵極上的電荷被捕獲時，會產生閃爍噪聲。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 數據表中的噪聲規格

通常，數據表規定 LDO 噪聲的方式有兩種。一種是“總（積分）輸出噪聲，以μ Vrms 為單位”，即在有限頻率范圍內積分的頻譜噪聲密度 RMS 值。第二種是“頻譜噪聲密度曲線，以μ V/√Hz為單位”，即噪聲密度與頻率的關系圖。圖 3-1顯示了 TPS717xx 系列 LDO 的兩種規格。

圖 3-1. 噪聲的兩種規定方式 (TPS717xx LDO)

由于輸出噪聲電壓規定為單個數字，因此非常適合用于比較。比較不同 LDO 的噪聲規格時，必須在相同的頻率范圍內以及相同的輸出電壓和電流值下測量兩個穩壓器的噪聲。

4 哪種規格適合您的應用？

用戶應該了解具體應用需要哪種 LDO 噪聲規格，因為有些應用與頻譜噪聲密度相關，而某些應用可以利用總（積分）噪聲。以下示例對此進行了說明。

1. 考慮一個射頻系統中 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，一般會進入僅針對一種頻率調優的帶通系統，即信號混合后，只有較高頻率的信號不會通過。大多數寬帶應用都對每個頻帶的頻譜和功率進行非常嚴格地調節。任何頻帶的寄生噪聲均須通過控制來滿足所謂的“傳輸掩?！币?。傳輸掩模對于最終產品的機構認證而言非常重要。本底噪聲在較高頻率下產生的任何峰值，都可能導致傳輸信號超出傳輸掩模范圍，從而無法通過認證測試。

如果供電導體或 LDO 輸出中出現噪聲，在 FR 頻率下的這一噪聲與載波頻率信號混合后，會產生兩個邊帶，如圖 4-1 所示。噪聲太高時，會使因噪聲而產生的邊帶超出傳輸掩模范圍，進而導致系統故障。

圖 4-1. 傳輸掩模和因噪聲產生的邊帶

同樣，假設射頻系統在 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，在射頻應用中，用戶應使用頻譜噪聲密度曲線。因為單一噪聲無頻率相關性，不會準確地表示最終輸出。

2. 假設在一個系統中 LDO 為 ADC 或 DAC 供電。任何采樣系統由于混疊現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這種情況，因此所有 LDO 噪聲都會折返至采樣系統的帶寬范圍內。這相當于對系統的直流噪聲到帶寬噪聲進行積分，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 噪聲混疊是如何發生的。第一個圖是由理想 LDO 供電的系統，第二個圖是由具有熱噪聲的 LDO 供電的系統（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（因混疊現象使頻率降低）。

圖 4-3. LDO 噪聲混疊

由于系統會使所有噪聲的頻率降低，并對噪聲進行積分，因此，用戶在此應用中應使用總（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源?？墒褂脙煞N方法來降低 LDO 中的噪聲。下面內容詳細說明了這兩種方法。

降低噪聲的一種方法是降低 LDO 帶寬，這可以通過降低 LDO 內部誤差放大器的帶寬來實現。但是，如果我們降低誤差放大器的帶寬，則會降低 LDO 瞬態響應速度。

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部的帶隙基準源。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，要研究導通 FET 的噪聲，需要先找到噪聲的影響因素，即導通 FET 和誤差放大器輸入之間的開環增益。開環增益非常大，因此，導通 FET 的其他噪聲影響因素通?？梢院雎圆挥?。

總之，LDO 噪聲和 PSRR 都是選擇 LDO 時需要考慮的重要規格。這里有兩種 LDO 噪聲的規定方式，用戶應查找適合其應用的規格。

6 LDO 噪聲的影響

我們以具有集成 LDO（如 TPS57140-Q1）的直流/直流轉換器為例說明。

LDO 穩壓器內部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。在直流/直流轉換器的輸入端施加快速下降的輸入瞬態時，帶隙噪聲會產生不良影響。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/直流轉換器的內部 LDO 穩壓器由于電源抑制比 (PSRR) 的限制，會發生復位。頻率越高，轉換速度越快。LDO 穩壓器內部的帶隙噪聲是抑制高頻成分的限制因素。例如，使用 TPS57140-Q1 設計仿真和基準測試測量時，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行軟啟動。根據 ESR × C × dV/dt，在通過 ESR 的瞬態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換持續時間造成不利影響。因此，推薦使用低 ESR 陶瓷電容器。

審核編輯：黃飛

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