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LDO基础知识:噪声

2019-06-06 15:07:20 来源:EETOP
LDO基础知识:噪声(1)

在一篇LDO基础知识博文中,我讨论了使用低压差稳压器(LDO)过滤因开关模式电源导致的纹波电压。然而,这不是获得净化直流电源唯一要考虑的事情。因为LDO是电子设备,它们自身也会生成一定数量的噪声。选择使用低噪声LDO和采取步骤减少内部噪声,都可以在不损害系统性能的同时形成净化电源轨的不可分割的措施。
 

识别噪声
 

理想的LDO具备没有交流元件的电压轨。但缺点在于LDO会和其他电子设备一样生成本体噪声。图 1 显示了这种噪声在时间域中的表现。
 

图 1:有噪声电源的输出噪声快照
 

在时间域中进行分析是困难的。因此,有两个主要方法来检验噪声:跨越整个频谱,和作为综合值。 您可以使用频谱分析工具来识别LDO输出线路中的各种交流元件。(应用报告,“如何测量LDO噪声,”介绍了丰富的噪声测量知识。) 图 2 绘制了1A低噪声LDO TPS7A91的输出噪声。
 

图 2:TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和VOUT
 

如您从各种曲线看到的那样,输出噪声(以每平方根赫兹[μV/ Hz]来表示)集中在频谱低端。该噪声大部分出自内部参考电压,以及误差放大器FET和电阻分压器。
 

分析跨越整个频谱的输出噪声,能帮助我们确定感兴趣噪声范围的噪声曲线。例如,音响应用设计师很关注人耳可闻频率(20Hz到20kHz),而电源噪声可能使声音品质下降。
 

在进行苹果设备之间的比较时,数据表通常提供的是单一、综合噪声值。输出噪声一般是综合10Hz到100kHz的噪声,用微伏均方根(μVRMS)表示。(各厂商还将综合来自100Hz到100kHz的噪声,或者综合来自自定义频率范围的噪声。基于所选频率范围进行综合,有助屏蔽不讨人喜欢的噪音属性,因此,检查除综合值外的噪声曲线很重要。)图 2 显示了对应各曲线的综合噪声值。德州仪器供应的LDO系列综合噪声值低至3.8μVRMS。
 

降噪
 

除选择低噪声质量的LDO外,您还可以采用几种技术来确保您的LDO具有最低噪声特性。这些技术包括使用降噪和前馈电容器。我将在下一篇博文中探讨使用前馈电容器。
 

降噪电容器
 

TI的许多低噪声LDO系列都具有专门用作“NR/SS”的专用引脚,如图 3 所示。
 

图 3:具有NR/SS引脚的NMOS LDO
 

该引脚的功能有两个:它用于过滤来自内部参考电压的噪声,及降低启动过程中的压摆率或启用LDO。
 

为该引脚添加一个电容器(CNR/SS),就可以形成具有内部电阻的RC滤波器,有助于把由参考电压生成的无用噪声分流。由于参考电压是噪声的主要来源,增加电容可推送左侧低通滤波器的截止频率。图 4 显示了该电容器对输出噪声的作用结果。
 

图 4:TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和CNR/SS
 

如图 4 所示,更高的CNR/SS值会产生更理想的噪声值。当达到某个点后,再增加电容值也不再能够降低噪声。其余噪声来自误差放大器和FET等。
 

增加电容器还在启动期间形成了电阻电容延迟,这将使输出电压以较低速率上升。当输出或负荷中出现了大容量电容,有益的做法是降低启动电流。
 

等式 1 中启动电流等于:


为降低启动电流,您必须减小输出电容或降低压摆率。幸好,CNR/SS 有助实现后者,如图 5 TPS7A85所示。
 

图 5:TPS7A85的启动 vs. CNR/SS
 

如您所见,增加CNR/SS值会延长启动时间,可防止出现尖峰启动电流和潜在可能触发电流值达到极限的情况。
 

概要
 

低噪声LDO对于确保净化直流电源至关重要。选择具有低噪声属性的LDO和合理利用都不容忽视,这样才能保障尽量净化的输出。使用NR/SS电容器有两个优点:它可帮助您控制压摆率和过滤参考噪声。欲更多了解有关LDO的见解,请参阅LDO基础系列中的其他博文。
 

LDO基础知识:噪声(2)
 

噪声 – 第1部分中,我探讨了如何减少输出噪声和控制压摆率,方法是为参考电压(CNR/SS)并联一个电容器。在本篇博文中,我将讨论降低输出噪声的另一种方法:使用前馈电容(CFF)。
 

什么是前馈电容?
 

前馈电容是一个可选的顶容器,与电阻分压器的上半部电阻并联,如图 1 所示。
 

图 1:使用前馈电容的NMOS低压差稳压器(LDO)
 

与降噪电容(CNR/SS)相似,添加前馈电容具有多种效果。最主要的是降噪,还包括改进稳定性、负荷响应和电源抑制比(PSRR)。(应用报告“使用前馈电容的低压差稳压器的优缺点,”详尽讨论了这些益处。)值得注意的是只有使用可调节LDO时才能使用前馈电容,因为此时电阻网络在外部。
 

降噪
 

LDO进行调节时会使用误差放大器,而误差放大器会使用电阻网络(R1和R2)来提高参考电压的增益,从而驱动FET的栅极,这与同相放大器非常相似。参考的直流电压将增加???倍。不过,考虑到误差放大器的带宽,您还可以寄望于参考电压某些交流元件的放大功能。
 

通过为电阻分压器上半部分电阻并联电容器,您就针对特定频率范围引入了一个分流器。换言之,您使该频率范围内的交流元件贡献于单位增益,此时R1模拟短路的情况。(请牢记所用电容器的阻抗属性,以便确定该频率范围。) 如图 2 所示,您可以看到使用不同CFF值时,TPS7A91的噪声下降效果。
 

图 2:TPS7A91噪声 vs. 频率和CFF值
 

通过为电阻分压器上半部分电阻并联一个100nF电容器,可将噪声从9μVRMS降至4.9μVRMS.
 

改进稳定性和瞬态响应
 

添加一个CFF还为LDO反馈环路引入了零点(ZFF)和极点(PFF),它们的计算见等式 1 和 2:

ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF) (1)

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

在达到发生单位增益的频率之前就形成零点,可以改善相位裕度,如图 3 所示。
 

图 3:仅使用前馈补偿的典型LDO的增益/相位图
 

您可以看到如果没有ZFF,单位增益的发生大约将提前约200kHz。通过添加零点,单位增益频率向右移动了一点(~300kHz),但是相位裕度也增加了。由于PFF位于单位增益频率的右侧,所以它对于相位裕度的影响也最小。
 

在改进LDO的负荷瞬态响应后,将看到相位裕度的明显增加。在相位裕度增加后,LDO输出将减少振铃并更快速稳定。
 

改善PSRR
 

取决于零点和极点的设置,您还可以巧妙减少增益漂移。图 3 显示了零点对从100kHz开始的增益下降的影响。通过提高频段内的增益,您还将改进该频段的环路响应。这会改善该特定频率范围的PSRR。参见图4。
 

图 4:TPS7A8300 PSRR vs. 频率和CFF值
 

如图所示,增加CFF电容值,会将零点推向左侧。催生较低频率范围内产生更佳的环路响应和相应PSRR。
 

当然,您必须选择CFF值和适当添加零点ZFF和极点PFF,这样才不会造成不稳定。遵守上面这个数据表给出的CFF限值,即可防止不稳定情况的出现。大电容值CFF会造成前述应用报告介绍的其他问题。
 

表 1 列出了有关CNR和CFF如何影响噪声的经验法则。
 

表 1:CNR和CFF vs 频率
 

结论
 

正如本文论述的那样,添加一个前馈电容可降噪,改进稳定性、负荷响应和PSRR。当然,您必须仔细选择电容器才能维持稳定性。如果采用降噪电容器,交流性能将获得大幅改善。这些是您需要牢记以便优化电源的几个方法。

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