低噪聲LDO對于清潔直流電源的作用

使用低壓降穩壓器 （LDO） 來過濾開關模式電源產生的紋波電壓并不是實現清潔直流電源的唯一考慮因素。由于 LDO 是電子器件，因此它們會自行產生一定量的噪聲。選擇低噪聲 LDO 并采取措施來降低內部噪聲對于生成不會影響系統性能的清潔電源軌而言不可或缺。

識別噪聲

理想的 LDO 會生成沒有交流元件的電壓軌。遺憾的是，LDO 會像其他電子器件一樣自行產生噪聲。圖 1 顯示了這種噪聲在時域中的表現方式。

圖 1：電源噪聲的屏幕截圖

時域分析并非易事。因此，檢查噪聲的主要方法有兩種：跨頻率檢查和以積分值形式檢查。

您可以使用頻譜分析儀來識別 LDO 輸出端的各種交流元件。圖 2 描繪了 1A 低噪聲 LDO TPS7A94 的輸出噪聲。

圖 2：TPS7A94 的噪聲頻譜密度與頻率

和 VOUT 的關系

從各條曲線可以看出，以微伏/平方根赫茲 （μV/√Hz） 表示的輸出噪聲集中在頻譜的低端。這種噪聲主要來自內部基準電壓，但誤差放大器、場效應晶體管 （FET） 和電阻分壓器也會產生一定噪聲。

在確定相關頻率范圍的噪聲曲線時，跨頻率查看輸出噪聲會有所助益。例如，音頻應用設計人員會關心電源噪聲可能會降低音質的可聽頻率（20Hz 至 20kHz）。

數據表通常為同類比較提供單一綜合噪聲值。輸出噪聲通常在 10Hz 至 100kHz 范圍內積分，并以微伏均方根 （μVRMS） 表示。一些半導體制造商集成了從 100Hz 到 100kHz 或自定義頻率范圍的噪聲。在特定頻率范圍內進行積分有助于掩蓋令人不快的噪聲特性，因此除了積分值之外，檢查噪聲曲線也很重要。圖 2 顯示了與各種曲線相對應的積分噪聲值。德州儀器提供的 LDO 產品系列，其集成噪聲值測量值可低至 0.47μVRMS。

降低噪聲

除了選擇具有低噪聲品質的 LDO 之外，您還可以采用幾種技術來確保您的 LDO 具有超低噪聲特性。這些技術涉及使用降噪和前饋電容器，我們會在下周關于 LDO 基礎知識的技術干貨中進行討論。

降噪電容器

TI 產品組合中的許多低噪聲 LDO 都具有指定為 “NR/SS” 的特殊引腳。圖 3 顯示了用于實現降噪功能的常見拓撲。

圖 3：帶有 NR/SS 引腳的 LDO 的常見拓撲

該引腳的功能是雙重的。它用于過濾來自內部基準電壓的噪聲，并在啟動期間降低壓擺率或啟用 LDO。

在此引腳 （CNR/SS） 上添加一個電容器可形成一個具有內部電阻的電阻電容 （RC） 濾波器，有助于分流由基準電壓產生的不良噪聲。由于基準電壓是噪聲的主要來源，因此增大電容有助于將低通濾波器的截止頻率推至較低頻率。圖 4 顯示了該電容器對輸出噪聲的影響。

圖 4：TPS7A91 的噪聲頻譜密度

與頻率和 CNR/SS 的關系

如圖 4 所示，較大的 CNR/SS 值會產生更好的噪聲系數。在某個時刻，增大電容將不再降低噪聲。剩余的噪聲來自誤差放大器、FET 等。

添加電容器還會在啟動期間引入 RC 延遲，從而導致輸出電壓以較慢的速度斜升。當輸出或負載上存在大容量電容并且您需要減輕浪涌電流時，這是有利的。

以下公式將浪涌電流表示為：

為了減少浪涌電流，您必須降低輸出電容或降低壓擺率。幸好，CNR/SS 有助于實現后者，如圖 5 所示的 TPS7A85 相關內容。

圖 5：TPS7A85 的啟動過程與 CNR/SS 的關系

如您所見，增加 CNR/SS 值會導致啟動時間延長，從而防止浪涌電流尖峰并可能觸發限流事件。請注意，某些具有 NR 引腳的 LDO 不會實現軟啟動功能。它們能夠實現快速啟動電路，即便使用大型降噪電容器也有助于實現超短啟動時間。

結語

低噪聲 LDO 對于確保清潔直流電源至關重要。選擇具有低噪聲特性的 LDO 并實施相關技術以確保盡可能干凈的輸出非常重要。使用 CNR/SS 有兩大優勢：它使您能夠控制壓擺率和過濾基準噪聲。