什么是LDO？淺析低壓差穩壓器 (LDO) 中的噪聲及電源抑制比

在本文中，我們將介紹低壓差 (LDO) 穩壓器中噪聲和電源抑制比 (PSRR) 的影響。讓我們簡單討論一下什么是 LDO。

低壓差穩壓器

低壓差或 LDO 穩壓器是一種直流線性穩壓器，即使提供給它的輸入電壓幾乎等于輸出電壓，也可以通過它控制輸出電壓。LDO 有兩個組件 - 功率 FET 和差分放大器（誤差放大器）。LDO的配置如下圖所示：

低壓差穩壓器 (LDO) 中的噪聲

低壓差 (LDO) 穩壓器中的噪聲源可分為兩大類，即內在噪聲源和外在噪聲源。LDO 的固有噪聲有兩個主要來源：

1. 內部參考電壓。

2.誤差放大器。

然而，外部噪聲就像噴氣式飛機發出的噪聲一樣，是從電路外部的源傳遞的。

為了獲得 15 μA 或更低的靜態電流，現代 LDO 使用幾十納安的內部偏置電流。

降低 LDO 的噪聲

降低 LDO 噪聲的兩種主要方法是：

1. 對基準進行濾波

2. 降低誤差放大器的噪聲增益

在一些 LDO 中，使用外部電容器來過濾參考電壓。事實上，為了達到低噪聲條件，許多所謂的超低噪聲 LDO 需要外部噪聲衰減電容器。不幸的是，固定輸出 LDO 無法降低輸出噪聲，因為沒有進入反饋節點的權利。如果誤差放大器對噪聲的貢獻大于基準電壓源的貢獻，則可以通過降低誤差放大器的噪聲增益來降低 LDO 的總體噪聲。

判斷誤差放大器是否是主要噪聲源的唯一方法是比較特定 LDO 的固定版本和可變版本的噪聲。如果固定 LDO 的噪聲量小于可變 LDO，那么我們可以說誤差放大器是主要噪聲源。

該圖顯示了一個 2.5 V 輸出可修改 LDO，其中 R1、R2、R3 和 C1 為外部組件。

R3 用于將放大器的高頻增益設置為高達 1.5× 至 2×。而C1用于將降噪系統（C1、R1和R3）的低頻零點設置在10Hz至100Hz之間，以確保噪聲降低至1/f。

降噪 (NR) 網絡對高壓自適應 LDO 噪聲頻譜密度的結果如下圖所示。

從上圖中可以看出，20 Hz 至 2 kHz 之間的噪聲性能提高了約三倍（約 10 dB）。

LDO 中的電源抑制比

PSRR 代表“電源抑制比”，由于集成度的提高，它已成為現代片上系統 (SoC) 設計中越來越重要的參數。

PSRR 是兩個傳遞函數之間的比率：

? 電源節點到輸出節點的傳遞函數，即(Asupply(ω))

? 輸入節點到輸出節點A(ω) 的傳遞函數。A(ω)也稱為開環傳遞函數。

在哪里，

1/ Asupply(ω) 是電源增益的倒數，稱為 PSR。

從上式可以明顯看出，PSRR與A(ω)成正比，與Asupply(ω)成反比。因此，如果 Asupply(ω) 減小并且開環增益 A(ω) 增大，PSRR 將增大。

PSRR 基本上是 LDO 抑制輸入側出現紋波的能力。在理想的 LDO 中，直流頻率將是唯一的輸出電壓。然而，由于高頻下出現小尖峰，誤差放大器并不具有完美的功能?？紤]紋波，PSRR 表示如下：

PSRR=20 xlog RippleinputRippleoutput

實際例子

LDO 具有：

電源抑制比=55分貝

頻率= 1 MHz

輸入紋波 = 1mV

它可以將該頻率下的 1 mV 衰減至輸出端的 1.78 μV。因此，PSRR 增加了 6dB，相當于衰減增加了 2 倍。

大多數 LDO 在較低頻率（通常為 10 Hz – 1 kHz）下具有相對較高的 PSRR。在寬頻帶上具有高 PSRR 的 LDO 可以抑制非常高頻的噪聲，就像開關產生的噪聲一樣。

PSRR 會隨著頻率、溫度、電流、輸出電壓和電壓差等參數的變化而波動。PSRR 應為負值，因為它用于計算抑制。然而，該圖將其顯示為正數，因此圖中頂部的數字表示更高的噪聲抑制。

測量 LDO 的 PSRR

測量 LDO 的 PSRR 的方法有多種：

1.使用LC求和節點測量PSRR：

測量LDO PSRR的基本方法如下圖所示。

在此方法中，兩個電壓（直流和交流）相加并施加在 LDO 的輸入端子上。工作點偏置電壓為 VDC，VAC 為噪聲源。上圖中，電容C用于防止VAC短路VDC，電感L用于防止VDC短路噪聲源。

測量低頻 PSRR 取決于由電感器 L 和電容器 C 創建的高通濾波器。該濾波器的 3dB 點由下式確定：

當獲得低于 3dB 點的頻率時，測量 PSRR 變得困難并且它們開始減弱。

2. 使用求和放大器測量 PSRR

為了獲得改進的 PSRR 測量，描述了另一種方法，其中使用高帶寬放大器作為求和節點來插入信號，從而在 VAC 和 VDC 之間提供隔離。該方法如下圖所示：

在此方法中，PSRR 是在空載條件下測量的。

使用此方法測量 PSRR 時必須牢記以下因素。

1、輸入電容可能是高速放大器進入不穩定狀態的原因；在測量 PSRR 之前應移除該電容器。

2. 為了減少電感效應，應使用示波器或網絡分析儀同時測量 Vin 和 Vout。

3. 長電線會增加電感并影響結果。這就是為什么測試裝置不應該有任何長電線。

4. 選擇交流和直流輸入值時應考慮以下條件：

? VAC（最大值）+ VDC < LDO 的 VABS（最大值）

? VDC – VAC > LDO 的 VUVLO

如果滿足以下條件，將獲得最佳結果：

? VDC–VAC > Vout + Vdo + 0.5

其中：

Vout 是 LDO 的輸出電壓，

Vdo 是工作點處的特定壓差電壓。

5. 放大器的結果將開始衰減施加到 LDO 的極高頻率的 VAC 信號。

6. MOSFET 輸出阻抗與漏極電流成反比，因此導致 LDO 的開環輸出阻抗減小，負載電流增大，增益降低。

審核編輯：劉清