LDO基礎知識:噪聲-前饋電容器如何提高系統性能

在LDO基礎知識:噪聲-降噪引腳如何提高系統性能一文中，我們討論了如何使用與基準電壓 (C_NR/SS) 并聯的電容器降低輸出噪聲和控制壓擺率。在本文中，我們將討論降低輸出噪聲的另一種方法：使用前饋電容器 (C_FF)。

什么是前饋電容器？

前饋電容器是與電阻分壓器頂部電阻并聯的可選電容器，如圖1所示。

圖1 使用前饋電容器的低壓降穩壓器 (L_DO)

類似于降噪電容器 (CNR/SS)，添加前饋電容器具有多種影響。這些影響包括改善噪聲、穩定性、負載響應和電源抑制比 (PSRR)。應用報告“使用前饋電容器和低壓降穩壓器的優缺點”詳細介紹了這些優點。另外，還值得注意的是，前饋電容器僅在使用可調LDO時才可行，因為電阻器網絡是外部的。

改善噪聲

作為電壓調節控制環路的一部分，LDO的誤差放大器使用電阻器網絡（R1和R2）來提高基準電壓的增益，類似于驅動場效應晶體管柵極的同相放大器電路，以使 (VOUT = VREF × (1 + R1/R2)。這種增加意味著基準的直流電壓將按1 + R1/R2系數提高。在誤差放大器的帶寬內，基準電壓的交流元件（例如噪聲）也會被放大。

通過在頂部電阻器 (CFF) 上添加電容器，會為特定頻率范圍引入交流分流器。換句話說，該頻率范圍中的交流元件會保持在單位增益范圍內。請記住，您使用的電容器的阻抗特性將決定這個頻率范圍。

圖2演示了TPS7A91噪聲的減小（通過使用不同的CFF值）。

圖2 TPS7A91 噪聲與頻率和CFF值的關系

通過在頂部電阻器上添加一個100nF電容器，您可將噪聲從9μVRMS降至4.9μVRMS。

改進穩定性和瞬態響應

添加CFF還會在LDO反饋環路中引入零點 (Z_FF) 和極點 (P_FF)，使用公式1和2計算得出：

Z_FF =1 / (2×π×R1×C_FF)   (1)

P_FF=1/(2×π×R1//R2×C_FF)   (2)

將零點置于發生單位增益的頻率之前可提高相位裕度，如圖3所示。

圖3 僅使用前饋補償的典型LDO的增益/相位圖

您可以看到，如果沒有ZFF，單位增益會更早出現，大約為200kHz。通過添加零點，單位增益頻率在大約300kHz處略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于PFF位于單位增益頻率的右側，因此其對相位裕度的影響將是最小的。

在提高LDO的負載瞬態響應后，額外的相位裕度將很明顯。通過增加相位裕度，LDO 輸出將出現較少的振鈴，穩定速度會更快。

改善PSRR

根據零點和極點的位置，您還可以戰略性地減少增益滾降。圖3顯示了零點對從 100kHz開始的增益滾降的影響。通過增加頻帶的增益，您還將改善該頻帶的環路響應，從而使特定頻率范圍的PSRR得到改善。請參閱圖4。

圖4 TPS7A8300 PSRR與頻率和CFF值間的關系

如您所見，增加CFF電容會將零點向左推，從而改善環路響應和較低頻率范圍內的相應PSRR。

當然，您必須選擇CFF的值以及ZFF和PFF的對應位置，以避免導致不穩定性。您可以通過遵循數據表中規定的CFF限制來避免不穩定性，但我們通常建議選擇介于10nF和 100nF之間的值。較大的CFF可能會帶來前面提到的優缺點應用報告中概述的其他挑戰。

表1列出了一些關于CNR和CFF如何影響噪聲的經驗法則。

表1 CNR 和CFF的優勢與頻率間的關系

結語

添加前饋電容器可以改善噪聲、穩定性、負載響應和PSRR。當然，您必須仔細選擇電容器以保持穩定性。與降噪電容器配合使用時，可以大大提高交流性能。這些只是優化電源時需要牢記的一些工具。