LDO環路穩定性及其對射頻頻綜相噪的影響

摘要

相位噪聲是時鐘、射頻頻綜最為關注的技術指標之一。影響鎖相環相噪的因素有很多，比如電源、參考源相噪、VCO自身的相噪、環路濾波器的設置等。其中，電源引入的低頻噪聲往往對鎖相環的近端相噪有著很大的影響。對于高性能的時鐘和射頻頻綜產品，為了獲得極低的相噪性能，往往采用低噪聲的LDO供電。然而，采用不同的LDO給頻綜供電，取得的相噪性能往往會有很大差別，同時，LDO外圍電路設計也會影響到頻綜的相噪性能。

本文首先簡要地介紹了LDO的噪聲來源及環路穩定性對輸出噪聲的影響；其次，根據調頻理論推導出VCO的相位噪聲與LDO的噪聲頻譜密度的理論計算關系。在此基礎上，為了驗證LDO噪聲對射頻頻綜輸出相噪的影響，分別采用TPS7A8101和TPS74401 LDO評估板給TRF3765射頻頻綜評估板供電，對比測試這兩種情況下的TRF3765相噪曲線；同時，為了驗證LDO環路穩定性對頻綜相噪的影響，針對TPS7A8101評估板的參考電路做出部分修改，并對比測試了電路修改前后的TRF3765輸出相噪。

1、LDO噪聲來源及環路穩定性對輸出噪聲影響

1.1 LDO噪聲來源

LDO的噪聲分為LDO內部的噪聲和LDO外部的噪聲。LDO內部的噪聲來自于內部電路的帶隙基準源，放大器以及晶體管。LDO外部的噪聲來自于輸入。在LDO的手冊中，PSRR是表征LDO抑制外部噪聲的能力，但PSRR高并不代表LDO內部噪聲小。LDO的總輸出噪聲才是表征LDO內部噪聲抑制的參數，一般在電氣特性表里用單位？VRMS表示，或者在噪聲頻譜密度圖上表示。

圖2是LDO內部結構框圖，VN代表等效噪聲源。噪聲源包括帶隙基準源產生的噪聲VN （REF），誤差放大器產生的噪聲VN （AMP），FET產生的噪聲VN （FET）以及反饋電阻產生的噪聲VN （ R1）和VN （ R2）。在大多數情況下，由于帶隙基準源電路是由很多不同的電阻、晶體管和電容組成，它所產生的噪聲會遠遠大于反饋電阻產生的噪聲。而且帶隙基準源是誤差放大器的輸入，它所產生的噪聲也會經由誤差放大器放大來控制FET，所以誤差放大器本身以及FET所產生的噪聲也會比帶隙基準源的噪聲要低。可以說，LDO內部最大的噪聲源就是帶隙基準源。我們把LDO輸出噪聲VN （OUT）表示為

VN （ Other）是VN （ AMP）以及VN （FET）的和。由公式1可以得出，輸出噪聲最小值出現在R1短接到FB，誤差放大器的增益近似為1的時候。

1.2 LDO噪聲抑制方法

為了抑制帶隙基準源產生的噪聲，有三種辦法。

一是降低誤差放大器的帶寬，抑制了帶隙基準源的高頻噪聲。但是降低帶寬會使LDO的動態性能降低。

二是在帶隙基準源和誤差放大器之間加低通濾波。高性能的LDO都會有一個噪聲抑制NR管腳，CNR并聯在帶隙基準源和GND之間，起到低通濾波的作用。如圖3所示。

三是在反饋電阻R1上增加前饋電容CFF.在增加了CFF和CNR后，輸出噪聲可以表示為

從式2可以得出，CFF越大，輸出噪聲就越小。頻率越高，輸出噪聲越小。

圖4是不同CFF下的噪聲頻譜密度圖。可以看出，CFF越大，噪聲從低頻開始都能被很好的抑制。CFF太小的時候，抑制噪聲的作用就不太明顯。當頻率很高的時候，不管用多大的CFF，噪聲頻譜密度相差不會太大。所以，增加合適的前饋電容CFF，對改善LDO低頻噪聲有非常好的效果。

1.3 LDO環路穩定性與輸出噪聲的關系

從LDO的小信號分析可以看出，LDO有兩個低頻極點，如果沒有合適的零點補償，LDO的穩定裕度不夠，就有可能產生震蕩。穩定裕度不夠的LDO產生的內部噪聲會更大。上節中提到第三種噪聲抑制方法，即增加前饋電容CFF是實際上為了改善系統穩定裕度。由CFF與R1組成一個低頻零點，。
由下圖的頻率響應可以看出，零點是相位裕度有了很大的提升，增加了系統穩定性，從而減小了系統低頻噪聲。

2、LDO噪聲與VCO輸出相噪的關系

電源引入噪聲對鎖相環中各個有源器件都可能造成影響，其中最為敏感的部分是VCO，本文將著重討論LDO輸出噪聲對VCO相噪的影響。

一個典型的LDO供電的頻綜系統框圖如圖7所示：加載在電源上的噪聲信號通過頻率調制過程調制到VCO的輸出，造成VCO輸出相噪惡化。