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?1、前言

要獲得干凈的直流電源，使用低壓降穩壓器 (LDO) 過濾由開關模式電源生成的紋波電壓并不是需要考量的唯一事項。由于 LDO 為電子器件，它們本身會產生一定量的噪聲。要生成不會影響系統性能的干凈電源軌，選擇低噪聲 LDO 并采取措施降低內部噪聲是不可缺少的環節。

2、識別噪聲

理想的 LDO 將生成沒有交流元件的電壓軌。可惜的是，LDO 本身也會向其他電子器件一樣產生噪聲。圖 1 所示為這種噪聲在時域中的表現。

圖 1：含噪聲電源的示波器截圖

在時域中執行分析十分困難。因此，可通過兩種主要方法來查看噪聲：跨頻率查看噪聲和查看積分值形式的噪聲。可以使用頻譜分析儀識別 LDO 輸出端各種交流元件產生的 噪聲。圖 2 繪制了 1A 低噪聲 LDO（即 TPS7A91）的輸出噪聲。從不同曲線中可以看到，輸出噪聲（以每平方根赫茲的微伏數表示 [μV/Hz]）集中在頻譜的低頻端。此噪聲主要來自內部基準電壓，但也有一部分來自誤差放大器、場效應晶體管 (FET) 和電阻分壓器。跨頻率查看輸出噪聲有助于確定所關注頻率范圍的噪聲分布。例如，音頻應用設計師關注的是人耳的可聞頻率（20Hz 到 20kHz），在此范圍內，電源噪聲可能會降低聲音質量。

圖 2：TPS7A91 的噪聲頻譜密度與頻率和 VOUT 的關系

數據表一般會提供單一的積分噪聲值以與其他產品進行對比。輸出噪聲的積分范圍通常為 10Hz 到 100kHz，并以微伏均方根值 (μVRMS) 表示。（供應商還會在 100Hz 到 100kHz 范圍內甚至是自定義頻率范圍內對噪聲進行積分。在選定頻率范圍內積分有助于屏蔽不希望的噪聲屬性，因此，除了查看積分噪聲值之后，務必要查看噪聲曲線。）圖 2 顯示了與各種曲線對應的積分噪聲值。德州儀器 (TI) 提供 LDO 的產品組合，其積分噪聲值可低至 3.8μVRMS。

3、降噪

除了選擇具有低噪聲特性的 LDO，還可以應用一些技術來確保 LDO 具有最低的噪聲特性。這些技術涉及到降噪電容器和前饋電容器的使用。

3.1 降噪電容器

TI 產品組合中的許多低噪聲 LDO 都具有名為“NR/SS”的特殊引腳，如圖 3 所示。

圖 3：具有 NR/SS 引腳的 N 溝道金屬氧化物半導體 (NMOS) LDO

此引腳具有雙重功能：可用于過濾內部電壓基準產生的噪聲并能降低 LDO 啟動或使能期間的轉換率。在此引腳上添加電容器 (CNR/SS) 將形成具有內部電阻的阻容 (RC) 濾波器，幫助分流由電壓基準生成的不需要的噪聲。由于電壓基準是生成噪聲的主要因素，增大電容有助于將此低通濾波器的截止頻率左移。圖 4 顯示了此電容器對輸出噪聲產生的影響。

圖 4：TPS7A91 的噪聲頻譜密度與頻率和 CNR/SS 的關系

如圖 4 所示，CNR/SS 的值越大，降噪效果越好。但是，在某些點上，增大電容不會再降低噪聲。其余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，導致輸出電壓以較慢的速率斜升。當輸出端或負載上存在大容量電容并且需要減小浪涌電流時，此方法十分有利。公式 1 將浪涌電流表示為：

公式 1  Iinrush = (COUT + CLOAD) dV/dt

為減小浪涌電流，必須降低輸出電容或轉換率。幸運的是，使用 CNR/SS 可降低轉換率，如圖 5 中的 TPS7A85 啟動特性所示。

圖 5：TPS7A85 啟動時的電壓與 CNR/SS 的關系

如圖所示，增大 CNR/SS 值會延長啟動時間，從而防止浪涌電流出現尖峰，并且可能會觸發電流限制事件。降低輸出噪聲的另一個方法是使用前饋電容器 (CFF)。

3.2 前饋電容器

前饋電容器是與電阻分壓器的頂部電阻并聯放置的可選電容器，如圖 6 所示。

圖 6：使用前饋電容器的 NMOS LDO

與添加降噪電容器 (CNR/SS) 非常類似，添加前饋電容器也會產生多種效果。其中最重要的一項是能夠改善噪聲性能、穩定性、負載響應和電源抑制比 (PSRR)。此外，值得注意的是，使用前饋電容器只有在使用可調 LDO 時才可行，因為電阻網絡位于外部。

4、改善噪聲性能

在穩壓過程中，LDO 的誤差放大器使用電阻網絡（R1 和 R2）提高基準電壓的增益（與同相放大器非常類似），以便相應地驅動 FET 的柵極。基準的直流電壓將按因數 1+R1/R2 增大。但是，考慮到誤差放大器的帶寬，可以預計在基準電壓交流元件的某些部分也會放大。通過與頂部電阻并聯放置電容器，將為特定頻率范圍引入分流功能。換句話說，可以將該頻率范圍內的交流元件保持在單位增益范圍內，其中 R1 模擬短路。（請記住，該頻率范圍將由所使用的電容器的阻抗特性確定。）從圖 7 可以看出，通過使用不同的 CFF 值，可以降低 TPS7A91 的噪聲。與頂部電阻并聯放置 100nF 電容器后，可以將噪聲從 9μVRMS 降至 4.9μVRMS。

圖 7：TPS7A91 噪聲與頻率和 CFF 值的關系

5、改善穩定性和瞬態響應

添加 CFF 還會在 LDO 反饋回路中引入零點 (ZFF) 和極點 (PFF)，可分別通過公式 2 和 公式 3 進行計算：

公式 2 ：ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF )

公式 3：PFF = 1 / (2 x π x R1 // R 2 x CFF )

將零點置于出現單位增益的頻率之前可以提高相位裕度，如圖 8 所示。

圖 8：僅使用前饋補償的典型 LDO 的增益/相位圖

從圖中可以看到，沒有 ZFF 時，單位增益將提前在 200kHz 左右出現。增加零點后，出現單位增益的頻率略微右移（約 300kHz），相位裕度也有所提高。由于 PFF 位于單位增益頻率的右側，因此它對相位裕度的影響微乎其微。增加的相位裕度在 LDO 改善的負載瞬態響應中非常明顯。通過增加相位裕度，LDO 輸出將減少振鈴并更快穩定。

6、提高 PSRR

根據零點和極點的位置，還可以從策略上縮減增益衰減幅度。圖 8 顯示了從 100kHz 開始零點對增益衰減的影響。通過增大頻段的增益，還能夠改善該頻段的環路響應，從而使該特定頻率范圍的 PSRR 提高。請參見圖 9。

圖 9：TPS7A8300 PSRR 與頻率和 CFF 值的關系

如圖所示，增大 CFF 電容會使零點左移，從而在較低頻率范圍內改善環路響應和相應的 PSRR。當然，必須選擇 CFF 的值以及 ZFF 和 PFF 的相應位置，以確保穩定性。遵循數據表中規定的 CFF 限制，可以防止出現不穩定性。表 1 列出了一些經驗法則，展示了 CNR 和 CFF 對噪聲的影響程度。

從表中可以看出，添加前饋電容器可以改善噪聲性能、穩定性、負載響應和 PSRR。當然，必須慎重選擇電容器以保持穩定性。當與降噪電容器配合使用時，可以大大改善交流性能。本文僅僅介紹了需要牢記的一些方法，可以幫助用戶優化電源。