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低压差(LDO)调节器的噪声源(二)

作者:时间:2012-09-21来源:网络收藏

降低环路增益的另一个因素是调整元件具有一个非零电阻,或称RDSON.RDSON包括MOSFET导通电阻、片内互连电阻和线焊电阻。RDSON通过的压差电压估算。例如,WLCSP封装的ADP151在200 mA负载下的最差情况压差电压为200 mV,这意味着RDSON约为1.0Ω 。图13显示了调整元件和RDSON的简化原理图。

图13. 简化的LDO显示调整元件电阻

图13. 简化的显示调整元件电阻

负载电流引起的RDSON上的任何压降都会导致调整元件有效部分的裕量降低相应的量。例如,如果调整元件是一个1 器件,负载电流为200 mA,则裕量将降低200 mV.当在1 V或更低的裕量电压下工作时,估算LDO PSRR时必须考虑此压降。

改善PSRR

在既定的负载电流下,LDO的PSRR可以通过多种方式加以改善:

●让LDO在至少1 V的裕量下工作。某些LDO,如ADP151等,能够在低至500 mV的裕量下很好地工作。

●使用最大负载电流额定值至少比预期负载大1.5倍的LDO.

●在LDO的输入端或输出端增加外部滤波。

●如果裕量足够,级联两个或更多LDO.

增加外部滤波以提高PSRR

增加外部滤波可以大大改善LDO电路的PSRR,但是,其代价是电路更复杂,并且裕量和效率会降低。根据应用不同,可以将额外滤波添加到LDO的输入端(前置滤波)或输出端(后置滤波)。

后置滤波常常用于LDO输出端存在显着低频噪声的场合,如ADP151等现代低噪声LDO不再需要后置滤波。后置滤波的缺点是滤波器电感的电阻会引起额外的负载调整误差。

当必须抑制高频噪声时,如开关转换器的输出电压纹波等,增加前置滤波更合适,而且它不会影响负载调整。

图14显示一个LDO电路同时采用前置滤波和后置滤波,然而,通常情况下仅使用一个外部滤波器。

图14. 采用外部前置滤波和后置滤波的LDO

图14. 采用外部前置滤波和后置滤波的LDO

滤波器的主要元件是LF和CF,用于设置滤波器的转折频率。CD和RD消除LF和CF的谐振。CIN和COUT是用于LDO的典型输入和输出电容,但CIN不是必需的。

CF、LF、CD和RD的值可以通过以下方程式来确定:

例如,假设必须将一个开关转换器的1 MHz纹波降低至少30 dB,100 kHz至200 kHz的转折频率应当足够。

根据方程式9,假设CF = 1μF、LF = 1μH,则fC = 160 kHz.

根据方程式10,CD = 10μF;根据方程式11,RD = 1Ω。

图15显示了示例滤波器的响应。1 MHz时的衰减约为33 dB,最大峰化约为0.7 dB(81 kHz时)。

电感LF的直流电阻应尽可能低,以使裕量降幅最小(对于后置滤波器,则使负载调整误差最小)。电感的饱和电流也必须至少像电路的最大预期负载电流一样高。

图15. 示例纹波滤波器的响应

图15. 示例纹波滤波器的响应

级联多个LDO以提高PSRR

在裕量充足的应用中,级联多个LDO(如ADP151等)可以大大提高PSRR,同时保持ADP151的低输出噪声特性。图16显示两个级联LDO的原理图。旁路电容CIN、COUT和CO等于ADP151数据手册的推荐值,即1μF.

图16. 级联LDO

图16. 级联LDO

所选的LDO1输出确保LDO2上的裕量至少为500 mV.为获得最佳性能,LDO1上的裕量至少也应为500 mV.图17比较了一个1.8 V ADP151与两个级联ADP151的PSRR.两种情况下的负载电流和裕量均分别为200 mA和1 V.从图17可以清楚地看出,级联两个LDO可以将宽频率范围内的PSRR提高多达30 dB.

图17. 一个LDO和级联LDO的PSRR

图17. 一个LDO和级联LDO的PSRR

比较LDO PSRR指标

比较LDO的PSRR指标时,应确保测量是在相同的测试条件下进行。许多旧式LDO仅说明120 Hz或1 kHz时的PSRR,而未提及裕量电压或负载电流。至少电气技术规格表中的PSRR应针对不同的频率列出。为使比较有意义,最好应使用不同负载和裕量电压下的PSRR典型工作性能曲线。

输出电容也会影响高频时的LDO PSRR.例如,1 μF电容的阻抗是10μF电容的10倍。在频率高于误差放大器的0 dB交越频率时,电源噪声的衰减与输出电容有关,此时的容值特别重要。比较PSRR数值时,输出电容的类型和值必须相同,否则比较无效。

LDO总噪声

内部噪声和PSRR均构成LDO总输出噪声的一部分。根据应用不同,内部噪声和PSRR二者之一的贡献可能很重要,或者二者的贡献均很重要。当PSRR和内生噪声对应用的整体性能均有影响时,就无法应用噪声的单一数值。

一个典型应用是利用开关转换器为RF PLL供电。为了抑制来自开关转换器的纹波,输出通过一个LDO进行调节。

LDO的内部噪声会轻微调制PLL的电源,从而在PLL的输出端引起相位噪声。PLL的相位噪声由VCO频率偏移引起,与电源电压有关,表示为△f/△V,常常称为VCO的推移增益。

LDO的PSRR可以降低开关转换器在LDO单位增益频率以下的噪声。超出LDO的单位增益频率时,开关转换器噪声由LDO输出电容或LDO之后的无源滤波进行衰减。未经充分衰减的开关转换器频率谐波表现为PLL频率任一端上的杂散。

结束语

一般而言,LDO噪声包括两部分:内部或内生噪声以及外部或外生噪声。

热噪声和1/f噪声是主要的内生,与LDO的设计和半导体技术有关。

外部噪声有许多来源,但最常见的是LDO输入电源的噪声。

由于LDO具有高增益以确保良好的线路和负载调整性能,因此它能够衰减来自输入电源的噪声和纹波,这就是LDO的PSRR.LDO的带宽有限,因此其PSRR随着频率提高而降低。LDO带宽之外的噪声无法通过LDO本身进行衰减,可以利用无源滤波器来降低。


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