使用前饋電容器降低輸出噪聲

在前天LDO 基礎知識：噪聲 - 降噪引腳如何提高系統性能一文中，我們討論了如何使用與基準電壓 (CNR/SS) 并聯的電容器降低輸出噪聲和控制壓擺率。在本文中，我們將討論降低輸出噪聲的另一種方法：使用前饋電容器 (CFF)。

什么是前饋電容器？

前饋電容器是與電阻分壓器頂部電阻并聯的可選電容器，如圖 1 所示。

圖 1：使用前饋電容器的低壓降穩壓器 (LDO)

類似于降噪電容器 (CNR/SS)，添加前饋電容器具有多種影響。這些影響包括改善噪聲、穩定性、負載響應和電源抑制比 (PSRR)。應用報告“使用前饋電容器和低壓降穩壓器的優缺點”詳細介紹了這些優點。另外，還值得注意的是，前饋電容器僅在使用可調 LDO時才可行，因為電阻器網絡是外部的。

改善噪聲

作為電壓調節控制環路的一部分，LDO 的誤差放大器使用電阻器網絡（R1和 R2）來提高基準電壓的增益，類似于驅動場效應晶體管柵極的同相放大器電路，以使VOUT = VREF× (1 + R1/R2)。這種增加意味著基準的直流電壓將按1 + R1/R2系數提高。在誤差放大器的帶寬內，基準電壓的交流元件（例如噪聲）也會被放大。

通過在頂部電阻器 (CFF) 上添加電容器，會為特定頻率范圍引入交流分流器。換句話說，該頻率范圍中的交流元件會保持在單位增益范圍內。請記住，您使用的電容器的阻抗特性將決定這個頻率范圍。

圖 2 演示了TPS7A91 噪聲的減?。ㄍㄟ^使用不同的 CFF值）。

圖 2：TPS7A91 噪聲與頻率和 CFF 值的關系

通過在頂部電阻器上添加一個100nF 電容器，您可將噪聲從 9μVRMS 降至4.9μVRMS。

改進穩定性和瞬態響應

添加 CFF 還會在LDO 反饋環路中引入零點 (ZFF) 和極點 (PFF)，使用公式 1 和 2 計算得出：

ZFF = 1 / (2 × π × R1 × CFF) (1)

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

將零點置于發生單位增益的頻率之前可提高相位裕度，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，單位增益會更早出現，大約為200kHz。通過添加零點，單位增益頻率在大約300kHz處略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于 PFF位于單位增益頻率的右側，因此其對相位裕度的影響將是最小的。

在提高 LDO 的負載瞬態響應后，額外的相位裕度將很明顯。通過增加相位裕度，LDO 輸出將出現較少的振鈴，穩定速度會更快。

改善PSRR

根據零點和極點的位置，您還可以戰略性地減少增益滾降。圖 3 顯示了零點對從 100kHz 開始的增益滾降的影響。通過增加頻帶的增益，您還將改善該頻帶的環路響應，從而使特定頻率范圍的 PSRR 得到改善。請參閱圖 4。

圖 4：TPS7A8300 PSRR 與頻率和 CFF 值間的關系

如您所見，增加 CFF 電容會將零點向左推，從而改善環路響應和較低頻率范圍內的相應 PSRR。

當然，您必須選擇 CFF的值以及 ZFF和 PFF的對應位置，以避免導致不穩定性。您可以通過遵循數據表中規定的 CFF 限制來避免不穩定性，但我們通常建議選擇介于 10nF 和 100nF 之間的值。較大的 CFF 可能會帶來前面提到的優缺點應用報告中概述的其他挑戰。

表 1 列出了一些關于 CNR和 CFF如何影響噪聲的經驗法則。

表 1：CNR 和 CFF 的優勢與頻率間的關系

結語

添加前饋電容器可以改善噪聲、穩定性、負載響應和 PSRR。當然，您必須仔細選擇電容器以保持穩定性。與降噪電容器配合使用時，可以大大提高交流性能。這些只是優化電源時需要牢記的一些工具。

原文標題：技術干貨｜LDO 基礎知識：噪聲 - 前饋電容器如何提高系統性能

文章出處：【微信公眾號：德州儀器】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅