了解 LDO 中的噪聲和 PSRR

在本文中，我們將介紹噪聲和電源抑制比 (PSRR) 在低壓差 (LDO) 穩壓器中的影響。讓我們簡要討論一下什么是 LDO。

低壓差或 LDO 穩壓器是一種直流線性穩壓器，即使提供給它的輸入電壓幾乎等于輸出電壓，也可以通過它來控制輸出電壓。LDO 有兩個組件——功率 FET 和一個差分放大器（誤差放大器）。LDO的配置見下圖：

低壓差 (LDO) 穩壓器中的噪聲源可分為兩大類，即固有的和外部的。LDO 中的固有噪聲有兩個主要來源：
1. 內部參考電壓。
2. 誤差放大器。

而外部噪聲就像噴氣式飛機的噪聲，是從電路外部的源傳遞的。

為了獲得 15 μA 或更低的靜態電流，現代 LDO 使用幾十納安的內部偏置電流進行管理。

降低 LDO 噪聲的兩種主要方法是：
1. 濾波參考電壓(基準電壓)
2. 降低誤差放大器的噪聲增益

在某些 LDO 中，使用外部電容器對基準進行濾波。現實情況是，為了達到低噪聲條件，許多所謂的超低噪聲 LDO 需要一個外部噪聲衰減電容器。不幸的是，由于沒有進入反饋節點的權利，因此無法降低固定輸出 LDO 的輸出噪聲。如果誤差放大器的噪聲貢獻大于參考噪聲的貢獻，則可以通過降低誤差放大器的噪聲增益來降低 LDO 的整體噪聲。

確定誤差放大器是否是主要噪聲貢獻者的唯一方法是將固定版本的噪聲與特定 LDO 的可變版本的噪聲進行比較。如果固定 LDO 的噪聲量小于可變 LDO，那么我們可以說誤差放大器是主要的噪聲源。

該圖顯示了一個 2.5 V 輸出可修改 LDO，其中 R1、R2、R3 和 C1 是外部組件。

R3 用于將放大器的高頻增益設置為 1.5 倍至 2 倍。而C1則用于將降噪系統（C1、R1和R3）的低頻零位設置在10Hz和100Hz之間，以確保將噪聲降低到1/f。

降噪 (NR) 網絡對高壓自適應 LDO 的噪聲頻譜密度的結果如下圖所示。

在上圖中，可以看出，在 20 Hz 和 2 kHz 之間，噪聲性能提高了大約三倍 (~10 dB)。

PSRR 代表“電源抑制比”，隨著集成水平的提高，它在現代片上系統 (SoC) 設計中逐漸成為越來越重要的參數。

PSRR 是兩個傳遞函數之間的比率：
? 電源節點到輸出節點的傳遞函數，即 (Asupply(ω))
? 輸入節點到輸出節點 A(ω) 的傳遞函數。A(ω) 也稱為開環傳遞函數。

PSRR(ω) = 20 · log [A(ω) /Asupply(ω)] [dB]

在哪里，

1/ Asupply(ω) 是電源增益的倒數，稱為 PSR。

從上面的等式可以明顯看出，PSRR 與 A(ω) 成正比，與 Asupply(ω) 成反比。因此，如果 Asupply(ω) 減小而開環增益 A(ω) 增大，則 PSRR 將增大。PSRR 基本上是 LDO 抑制輸入側出現的紋波的能力。在理想的 LDO 中，直流頻率將是唯一的輸出電壓。然而，由于高頻下出現的小尖峰，誤差放大器并不具有完美的功能。考慮到紋波，PSRR 表示如下：
PSRR=20 xlog RippleinputRippleoutput

LDO 具有：

PSRR= 55 分貝

頻率 = 1 MHz

輸入紋波 = 1mV

它可以將該頻率下的 1 mV 衰減至輸出端僅 1.78 μV。因此，PSRR 增加了 6dB，這等于衰減增加了 2 倍。

大多數 LDO 在較低頻率（通常為 10 Hz – 1 kHz）下具有相對較高的 PSRR。在寬帶上具有高 PSRR 的 LDO 可以抑制非常高頻的噪聲，就像開關產生的噪聲一樣。
PSRR 會隨著頻率、溫度、電流、輸出電壓和電壓差等一些參數而波動。PSRR 應為負值，因為它用于計算拒絕。但是，該圖表將其顯示為正數，因此圖表中的最高數字表示更高的噪聲抑制。

有多種測量 LDO 的 PSRR 的方法：

1. 使用LC求和節點測量PSRR：

測量 LDO 的 PSRR 的基本方法如下圖所示。

在這種方法中，兩個電壓（直流和交流）加在一起并施加到 LDO 的輸入端。工作點偏置電壓為 VDC，VAC 為噪聲源。在上圖中，電容 C 用于防止 VAC 短路 VDC，電感 L 防止 VDC 短路噪聲源。

在低頻下測量 PSRR 由電感器 L 和電容器 C 創建的高通濾波器決定。該濾波器的 3dB 點由以下
公式決定：Fmin=12ΠLCFmin=12ΠLC

當頻率低于 3dB 點時，測量 PSRR 變得困難他們開始減弱。

2. 使用加法放大器測量 PSRR

為了獲得改進的 PSRR 測量，描述了另一種方法，其中使用高帶寬放大器作為求和節點來插入信號，從而在 VAC 和 VDC 之間提供隔離。這種方法可以在下圖中看到：

在這種方法中，PSRR 是在無負載條件下測量的。

使用此方法時，在測量 PSRR 時必須牢記以下因素。
1. 輸入電容可能是高速放大器進入不穩定狀態的原因；在測量 PSRR 之前應移除該電容。
2. 為了減少電感效應，Vin 和 Vout 應立即用示波器或網絡分析儀測量。
3. 長線會增加電感并影響結果。這就是為什么測試裝置不應該有任何長線。
4. 選擇 AC 和 DC 輸入值時應考慮以下條件：
? VAC（最大值）+ VDC < LDO 的 VABS（最大值）
? VDC – VAC > LDO 的 VUVLO

如果滿足以下條件，將獲得最佳結果：
? VDC–VAC > Vout + Vdo + 0.5
其中：

Vout 是 LDO 的輸出電壓
Vdo 是工作點的特定壓降電壓。
5. 放大器的結果將開始衰減施加到 LDO 的非常高頻率的 VAC 信號。
6. MOSFET輸出阻抗與漏極電流成反比，導致LDO開環輸出阻抗降低，負載電流增加，增益降低。