对比噪声比cnr_LDO基础8理解噪声

水深无声 2023-01-05 05:23 174阅读 0赞

在电子产品设计中，如果想要要获得干净的直流电源，使用低压降线性稳压器 (LDO) 确实是大家第一时间想到的办法，大家很自以为的认为我都用上LDO了，噪声我就不用去考虑了。没错，使用LDO确实可以过滤一些由开关模式的电源输出的纹波电压，但这并不是需要考量的唯一事项， 因为 L DO 本身也会产生一定量的噪声。 要得到 不会影响系统性能的干净电源轨，选择低噪声 LDO 并采取措施降低内部噪声是不可缺少的环节，所以大家也需要了解一下LDO的噪声特性。

***识别噪声***

理想的LDO将生成没有交流信号的电压轨。可惜的是，LDO本身也会像其他电子器件一样产生噪声。图 1 所示为这种噪声在时域中的表现。

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在时域中分析十分困难。因此，可通过两种主要方法来查看噪声：跨频率查看噪声或查看积分值形式的噪声。

可以使用频谱分析仪识别 LDO 输出端的噪声。图 2 绘制了 一款能输出1A 电流能力的低噪声 LDO的输出噪声。

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从曲线中可以看到，输出噪声(以每平方根赫兹的微伏数表示 \[μV / Hz\])集中在频谱的*低频端*。此噪声主要来自*内部基准电压*，但也有一部分来自*误差放大器、场效应晶体管 (FET)和电阻分压器*。

跨频率查看输出噪声有助于确定所关注频率范围的噪声分布情况。例如，音频应用设计师关注的是人耳的可闻频率(20Hz 到20kHz)，在此频率范围内，如果有电源引入的噪声可能会降低声音质量。

数据手册上一般会提供单一的积分噪声值以与其他产品进行对比。输出噪声的积分范围通常为 10Hz 到 100kHz，并以微伏均方根值 (μVRMS) 表示。(供应商还会在 100Hz 到 100kHz 范围内甚至是自定义频率范围内对噪声进行积分。在选定频率范围内积分有助于屏蔽不希望的噪声属性，因此，除了查看积分噪声值之后，务必要查看噪声曲线。) 如图 2 上所示各种曲线对应的积分噪声值。

***降噪***

除了选择具有低噪声特性的 LDO，还可以应用一些技术来确保LDO 具有最低的噪声特性。这些技术涉及到**降噪电容器**和**前馈电容器**的使用。

***1.降噪电容器***

如果大家去查看TI 产品组合中的许多低噪声 LDO器件，可以发现很多器件都具有名为“NR/SS”的特殊引脚，如图3所示。

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此引脚具有双重功能：可用于过滤内部电压基准产生的噪声并能降低 LDO 启动或使能期间的转换率。

在此引脚上添加电容器 (CNR/SS) 将形成具有内部电阻的阻容(RC) 滤波器，帮助分流由电压基准生成的不需要的噪声。由于电压基准是生成低频噪声的主要因素，增大电容值有助于将此低通滤波器的截止频率左移。图 4 显示了此电容器对输出噪声产生的影响。

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如图 4 所示， CNR/SS 的值越大，降噪效果越好。但是，在某些点上，增大电容不会再降低噪声。因为“人力有时穷”，其余噪声来自误差放大器、 FET 等，是时候在其他方面做点工作了。

添加电容器还会在启动期间引入 RC 延迟，导致输出电压以较慢的速率斜升。当输出端或负载上存在大容量电容并且需要减小浪涌电流时，那么这种方法十分有利。

公式 1 将浪涌电流表示为：

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为减小浪涌电流，必须降低输出电容或转换率。幸运的是，使用 CNR/SS 可降低转换率，如图 5 中的TPS7A85启动特性所示。

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如图所示，增大 CNR/SS 值会延长启动时间，从而防止浪涌电流出现尖峰，并且可能会触发电流限制事件。

降低输出噪声的另一个方法是使用前馈电容器 (CFF)。

***2.前馈电容器***

前馈电容器是放置在与电阻分压器的顶部电阻并联放置的电容器，如图6 所示。

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与添加降噪电容器 (CNR/SS) 非常类似，添加前馈电容器也会产生多种效果。其中最重要的一项是能够改善噪声性能、稳定性、负载响应和电源抑制比 (PSRR)。它本质上就是为了给高频噪声提供一条低阻抗路径，能够更快的传递到控制回路加以调整。

此外，大家需要注意的是，使用前馈电容器只有在使用可调 LDO 时才可行，因为电阻配置分压网络位于芯片外部，对于那些固定电压输出的LDO，此种方法就没办法在外面实现了。

***2.1 改善噪声性能***

在稳压过程中，LDO 的误差放大器使用电阻分压网络(R1 和 R2)提高基准电压的增益(与同相放大器非常类似)，以便相应地驱动 FET 的栅极。基准的直流电压将按因数 1+R1/R2 增大。但是，考虑到误差放大器的带宽，可以预计在基准电压交流信号的某些频段也会放大。

通过与顶部电阻并联放置电容器，将为特定频率范围引入分流功能。换句话说，可以将该频率范围内的交流元件保持在单位增益范围内，其中 R1 模拟短路。(请记住，该频率范围将由所使用的电容器的阻抗特性确定。)

从图 7 可以看出，通过使用不同的 CFF 值，可以降低 TPS7A91的噪声。与顶部电阻并联放置100nF电容器后，可以将噪声从9μVRMS降至4.9 μVRMS。

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***2.2 改善稳定性和瞬态响应***

添加 CFF 还会在 LDO 反馈回路中引入零点 (ZFF) 和极点 (PFF)，可分别通过公式 1 和 2 进行计算：

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将零点置于出现单位增益的频率之前可以提高相位裕度，如图8 所示。不同这些环路的可以去学习一下我的第二部课程哦![f0cf60cd525b212ccf64d1cbc65332c4.png][]![f0cf60cd525b212ccf64d1cbc65332c4.png][]![f0cf60cd525b212ccf64d1cbc65332c4.png][]。

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从图中可以看到，没有 ZFF 时，单位增益将提前在 200kHz左右出现。增加零点后，出现单位增益的频率略微右移(约300kHz)，相位裕度也有所提高。由于 PFF 位于单位增益频率的右侧，因此它对相位裕度的影响微乎其微。

增加的相位裕度在 LDO 改善的负载瞬态响应中非常明显。通过增加相位裕度， LDO 输出将减少振铃并更快稳定。

***2.3 提高 PSRR***

根据零点和极点的位置，还可以从策略上缩减增益衰减幅度。图 8 显示了从 100kHz 开始零点对增益衰减的影响。通过增大频段的增益，还能够改善该频段的环路响应，从而使该特定频率范围的 PSRR 提高。请参见图9。

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如图所示，增大 CFF 电容会使零点左移，从而在较低频率范围内改善环路响应和相应的 PSRR。

当然，必须选择 CFF 的值以及 ZFF 和 PFF 的相应位置，以确保稳定性。遵循数据表中规定的 CFF 限制，可以防止出现不稳定性。

表 1 列出了一些经验法则，展示了 CNR 和 CFF 对噪声的影响程度。

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从表中可以看出，添加前馈电容器可以改善噪声性能、稳定性、负载响应和 PSRR。当然，必须慎重选择电容器以保持稳定性。当与降噪电容器配合使用时，可以大大改善交流性能。本文仅仅介绍了需要牢记的一些方法，可以帮助大家在使用LDO设计电源的时候可以使用一些简单方法优化电源噪声。

好了，关于LDO基础系列暂时就更新到这里了，希望对大家能有所帮助。其实低噪声，低损耗的LDO设计难度还是很高的，我们后面有机会再给大家分享一些设计案例。

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