使用超低噪聲LDO穩壓器提供清潔電源

線性穩壓器集成電路（IC）將電壓從較高電壓降至較低電壓，無需電感器。低壓差（LDO）線性穩壓器是一種特殊類型的線性穩壓器，其中壓差（維持穩壓所需的輸入至輸出電壓之間的差值）通常低于400 mV。早期的線性穩壓器設計提供~1.3 V量級的壓差，這意味著對于5 V輸入，器件保持穩壓狀態的最大可實現輸出僅為~3.7 V。然而，在當今更復雜的設計技術和晶圓制造工藝中，低的近似定義是<100 mV至300 mV左右。

此外，盡管LDO穩壓器通常是任何給定系統中成本最低的組件之一，但從成本/效益來看，它通常是最有價值的組件之一。除了輸出電壓調節之外，LDO穩壓器的另一個關鍵任務是保護昂貴的下游負載免受惡劣環境條件的影響，如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。簡而言之，其設計必須堅固耐用，并包含吸收環境中懲罰所需的所有保護功能，同時保護負載。許多低成本LDO線性穩壓器沒有必要的保護功能，因此失效，往往不僅會損壞穩壓器本身，還會損壞下游負載。

LDO穩壓器與其他穩壓器的比較

低壓降壓轉換和調節可通過多種方法實現。

開關穩壓器在很寬的電壓范圍內以高效率工作，但需要外部元件（如電感器和電容器）才能工作，因此占用的電路板面積相對較大。無電感電荷泵（或開關電容電壓轉換器）也可用于實現較低的電壓轉換，并且通常根據轉換區域以更高的效率運行，但輸出電流能力有限，瞬態性能較差，并且與線性穩壓器相比需要更多的外部元件。

當今新一代快速、高電流、低壓數字IC，如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC，對為內核和I/O通道供電的電源提出了更嚴格的要求。傳統上，由于電荷泵缺乏必要的輸出電流和瞬態響應，因此使用高效的開關穩壓器為這些器件供電。然而，開關穩壓器存在潛在的噪聲干擾問題，有時它們的瞬態響應較慢，布局受限。

因此，LDO穩壓器是這些應用以及其他低壓系統中的替代方案。得益于最近的產品創新和功能增強，LDO穩壓器提供了一些性能優勢，使其更受歡迎。

此外，當涉及到為噪聲敏感的模擬/RF應用供電時（常見于測試和測量系統，其中機器或設備的測量精度需要比被測實體高幾個數量級），LDO穩壓器通常優于開關穩壓器。低噪聲LDO穩壓器為各種模擬/RF設計供電，包括頻率合成器（PLL/VCO）、RF混頻器和調制器、高速和高分辨率數據轉換器以及精密傳感器。然而，這些應用已經達到了測試傳統低噪聲LDO穩壓器極限的靈敏度。例如，在許多高端VCO中，電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲（抖動）。此外，為了滿足整體系統效率要求，LDO穩壓器通常會對噪聲相對較大的開關轉換器的輸出進行后置調節，因此LDO的高頻電源紋波抑制（PSRR）性能變得至關重要。此外，與標準工業開關穩壓器相比，LDO穩壓器的噪聲水平可以從mV （rms）范圍降低到個位數μV （rms）范圍，從而降低2到3個數量級。

LDO設計挑戰

一些IC，如運算放大器和儀表放大器，以及數據轉換器，如數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC），被稱為雙極性，因為它們需要兩個輸入電源供電：一個正極和一個負極。正電源軌通常由一個正基準電壓源供電，或者更好的是，由線性或低壓差穩壓器供電。傳統上，負電源軌由負開關穩壓器或逆變器供電。但是，基于電感的開關穩壓器很容易將噪聲引入系統。隨著負穩壓器的出現，使用負LDO穩壓器為負系統軌供電并利用LDO穩壓器的所有功能（無電感器、噪聲更低、PSRR更高、瞬態響應快、防彈保護）變得非常有利。較老式LDO穩壓器的PSRR和噪聲性能要差得多，雖然它們仍可用于創建這些類型的靜音電源，但將系統組裝在一起需要大量額外的元件、電路板空間和設計時間。這些額外的組件也會根據其特性（寄生電阻等）對功率預算產生不利影響。

對于使用運算放大器、ADC或其他信號鏈元件的客戶來說，還有另一個困難的系統性能特征：這些IC不具有無限的電源抑制能力，更糟糕的是，在高頻下，電源抑制能力可能明顯降低。過去，這意味著在電路板上使用額外的濾波元件，這會增加解決方案尺寸。此外，如果設計人員試圖獲得更高的精度，如果穩壓器電源噪聲過大，可能會導致更多麻煩，從而在測量場景中造成不必要的變化。

許多行業標準線性穩壓器使用單電源執行低壓差操作，但大多數都無法實現極低電壓轉換與低輸出噪聲、寬輸入/輸出電壓范圍和廣泛保護功能的組合。PMOS LDO穩壓器可實現壓差并采用單電源供電，但在低輸入電壓下受到調整管VGS特性的限制，并且缺乏高性能穩壓器的許多保護功能?；?NMOS 的器件提供快速瞬態響應，但需要兩個電源來偏置器件。NPN 穩壓器提供寬輸入和輸出電壓范圍，但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下，通過適當的設計架構，PNP 穩壓器可以實現低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高 PSRR 和極低電壓轉換，并具有防彈保護功能，全部通過單電源軌實現。

為了獲得最佳的整體效率，許多高性能模擬和RF電路由LDO穩壓器供電，對開關轉換器的輸出進行后調節。這就要求LDO穩壓器兩端在低輸入至輸出差分下具有高PSRR和低輸出電壓噪聲。具有高PSRR的LDO穩壓器可輕松濾除和抑制開關穩壓器輸出端的噪聲，而無需笨重的濾波元件。此外，在寬帶寬范圍內具有低輸出電壓噪聲的器件有利于當今的現代電源軌，其中噪聲靈敏度是一個關鍵考慮因素。高電流下的低輸出電壓噪聲顯然是必備的規格。

新型超低噪聲、超高PSRR LDO穩壓器

很明顯，解決本文概述問題的LDO解決方案應具有以下屬性：

極低的輸出噪聲

在很寬的頻率范圍內具有高 PSRR

低壓差操作

單電源供電（易于使用，緩解電源排序挑戰）

快速瞬態響應時間

在寬輸入/輸出電壓范圍內工作

中等輸出電流能力

出色的熱性能

占地面積小

為了滿足這些特定需求，ADI公司推出了LT304x系列超高PSRR、超低噪聲正LDO穩壓器。最新成員是互補型LT3094，這是一款超低噪聲、超高PSRR低壓差500 mA負線性穩壓器。該器件是廣受歡迎的500 mA LT3045（LT3042用于200 mA）的負極版本。LT3094的獨特設計在10 kHz時具有僅2 nV/√Hz的超低點噪聲，在10 Hz至100 kHz寬帶寬內具有0.85 μV rms積分輸出噪聲。PSRR 性能非常出色：低頻 PSRR 在接近 4 kHz 時超過 100 dB，在接近 2 MHz 的頻率下超過 70 dB，從而抑制嘈雜或高紋波輸入電源。LT3094 采用一種專有的 LDO 架構：一個精準電流源基準，后接一個高性能單位增益緩沖器，從而實現幾乎恒定的帶寬、噪聲、PSRR 和負載調節性能，而與輸出電壓無關。此外，這種架構允許多個 LT3094 并聯，以進一步降低噪聲、增加輸出電流并在印刷電路板上散發熱量。

LT3094在滿負載時提供高達500 mA的輸出電流和230 mV壓差，輸入電壓范圍為–2 V至–20 V。輸出電壓范圍為 0 V 至 –19.5 V，輸出電壓容差在整個線路、負載和溫度范圍內具有 ±2% 的高精度。該器件的寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高 PSRR 和超低噪聲性能非常適合為噪聲敏感型應用供電，如 PLL、VCO、混頻器和 LNA;極低噪聲儀器，如測試和測量，以及高速/高精度數據轉換器;醫療應用，如成像和診斷，以及精密電源;以及用于開關電源的后置穩壓器。

LT3094采用小型低成本10 μF陶瓷輸出電容工作，可優化穩定性和瞬態響應。單個電阻器負責設置外部精密電流限值 （±10% 的過熱值）。該器件的 VIOC 引腳控制上游穩壓器，以最大限度地降低功耗并優化 PSRR。單個SET引腳電容器可降低輸出噪聲并提供基準軟啟動功能，從而防止導通時輸出電壓過沖。此外，該器件的內部保護電路包括帶折返的內部電流限制和帶遲滯的熱限制。其他特性包括快速啟動能力（在使用大值SET引腳電容器時非常有用）和電源良好標志（業界首款具有此功能的負LDO穩壓器），具有可編程閾值以指示輸出電壓調節。

圖1.LT3094的典型應用原理圖和特性。

LT3094 采用耐熱性能增強型 12 引腳、3 mm × 3 mm DFN 和 MSOP 封裝，均具有緊湊的占板面積。E 級和 I 級版本有現貨供應，工作結溫為 –40°C 至 +125°C。

LT3094 需要一個輸出電容器來實現穩定性。鑒于其高帶寬，建議使用低ESR和ESL陶瓷電容器。為了保持穩定性，至少需要10 μF輸出電容，ESR低于30 mΩ，ESL低于1.5 nH。鑒于使用單個10 μF陶瓷輸出電容可實現高PSRR和低噪聲性能，較大的輸出電容值僅略微改善性能，因為穩壓器帶寬會隨著輸出電容的增加而降低，因此，使用大于最小10 μF的輸出電容幾乎沒有什么好處。盡管如此，較大的輸出電容值確實會降低負載瞬變期間的峰值輸出偏差。

圖2.LT3094 PSRR 性能。

圖3.LT3094 輸出噪聲性能。

并行設備的優勢

通過并聯多個 LT3094 可獲得更高的輸出電流。 將所有 SET 引腳連接在一起，將所有 IN 引腳連接在一起。使用 PCB 走線的小片 （用作鎮流電阻器） 將 OUT 引腳連接在一起，以均衡 LT3094 中的電流。還可以并聯兩個以上的 LT3094，以實現更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲降低與并聯器件數量的平方根成正比。并聯多個 LT3094 對于在 PCB 上分配熱量也很有用。對于具有高輸入至輸出電壓差的應用，也可使用一個輸入串聯電阻器或與 LT3094 并聯的電阻器來散熱。并聯電路實現方案見圖4。

圖4.LT3094 并聯操作。

表1顯示了ADI公司的超高PSRR、超低噪聲LDO穩壓器系列的成員。

結論

正200 mALT3042、500 mALT3045以及現在的新型互補型LT3094負500 mA LDO提供了突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性，加上其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護功能/魯棒性和易用性，使其成為為測試和測量或醫療成像系統中的噪聲敏感雙極性正/負電源軌供電的理想選擇。憑借其基于電流基準的架構，噪聲和PSRR性能與輸出電壓無關。此外，多個器件可以直接并聯，以進一步降低輸出噪聲，增加輸出電流并在PCB上傳播熱量。LT3042、LT3045 和 LT3094 節省了時間和成本，同時改善了應用性能。

審核編輯：郭婷