淺談低壓差線性穩壓器的輸出噪聲

低壓差線性穩壓器（LDO）的成本低、噪聲低、靜態電流小，外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。但是為了滿足精密電子設備的供電要求，還是要盡量減小LDO的輸出噪聲。

表示LDO輸出噪聲的方法

有三種方法可表示LDO的輸出噪聲。

● 在一定頻率范圍內，輸出電壓噪聲的均方值 (RMS)。

● 在一定頻率范圍（10Hz～100kHz）內，輸出電壓噪聲的峰峰值（見圖1）。圖中所示為SGM2007（ Vout=3.0V，Cout=10μF，Cbp=0.1μF，Iload=10mA ）在10Hz～100kHz內的噪聲輸出峰峰值。



圖110Hz~100kHz內的SGM2007噪聲

本文所討論的噪聲都是在一定頻率范圍內，如10Hz～100kHz。一般的LDO輸出噪聲在10Hz～20MHz內還是比較大的（見圖2）。



圖210Hz～20kHz內的LDO輸出噪聲

一般輸出電壓噪聲的峰峰值在一定頻率范圍內為均方值 (RMS)的6.6倍，這就為客戶在具體頻率下的應用提供了很好的參考。

● 在某一頻率點，輸出電壓的噪聲密度值（nV√HZ ）。

產生噪聲的原因

LDO主要包括了啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網絡和保護電路等。它的基本工作原理是：系統加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動。恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升。當輸出即將達到規定值時，由反饋網絡得到的輸出反饋電壓也接近于基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差進行放大，再經調整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值。同理，如果輸入電壓變化或輸出電流變化，閉環回路將使輸出電壓保持不變，即：

Vout=（R1+R2）/R2×Vref （1）

LDO的輸出噪聲受其內部設計和外部旁路、補償電路的影響。圖3是LDO的簡單結構框圖。由圖可知，LDO輸出噪聲的主要來源是基準電路（Voltage Reference）模塊，其產生的基準噪聲在輸出端被放大。此外，影響LDO輸出噪聲的其他因素還有：LDO內部放大器的極點、零點和輸出極點，外部輸出電容的容值和輸出電容的等效串聯電阻（ESR）值，以及負載值。



圖3LDO簡單結構

降低輸出噪聲的方法

● BP 端加旁路電容

為降低基準噪聲，需要在基準的輸出端增加一路低通濾波器，濾波器可以集成在LDO內部或由外部電路實現。但內置濾波器占用了較大的管芯尺寸，增加了芯片的設計和生產成本。為此，有些低噪聲LDO芯片只是提供一個基準的引腳BP（Bypass）,用于連接基準旁路電容。

連接基準旁路電容可降低基準噪聲，使基準噪聲成為產生LDO輸出噪聲的次要因素。建議使用典型值為 470pF～0.01μF的陶瓷電容，也可使用此范圍以外的電容，但會對輸入電源上電時LDO 輸出電壓上升的速度產生影響。旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢。在使用時要注意這點。

圖4為旁路電容對SG2001輸出噪聲的影響。由圖可見，隨著旁路電容的增大，輸出噪聲也會有一定程度的減少。



圖4旁路電容對SG2001輸出噪聲的影響

● 減小LDO的負載電流。

負載電流也會在一定程度上影響LDO的輸出噪聲。圖5為負載電流對SGM2007輸出噪聲影響。由圖可見，隨著負載電流的增大，輸出噪聲也會有一定的增加。為了減小負載電流對LDO輸出噪聲的影響，要盡量選擇輸出電流大的LDO。



圖5負載電流對LDO噪聲的影響

● 增大LDO的輸出電容

LDO需要連接外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態性能。陶瓷電容器通常是首選，因為其價格低且故障模式是斷路模式。此外，輸出電容器的等效串聯電阻(ESR)也會影響其穩定性。陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10 mΩ量級。