低壓差穩(wěn)壓器(LDO)可用來為高速時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控振蕩器和鎖相環(huán)這些電路供電。噪聲對(duì)于高性能模擬電路的設(shè)計(jì)人員而言極為重要。降低噪聲的關(guān)鍵是保持LDO噪聲增益接近單位增益，且不影響交流性能或直流閉環(huán)增益。

本文描述簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)如何降低可調(diào)節(jié)輸出低壓差穩(wěn)壓器的輸出噪聲。本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來演示這一簡(jiǎn)單方法的有效性。雖然RC網(wǎng)絡(luò)的主要目的是降噪，但它也能改善電源抑制和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖1顯示典型可調(diào)節(jié)輸出LDO的簡(jiǎn)化框圖。輸出電壓VOUT等于基準(zhǔn)電壓與誤差放大器直流閉環(huán)增益的乘積：VOUT=VR(1+R1/R2)，其中(1+R1/R2)是誤差放大器的直流閉環(huán)增益。

誤差放大器噪聲VN和基準(zhǔn)電壓噪聲VRN放大相同的倍數(shù)，使輸出噪聲與設(shè)定的輸出電壓成比例增加。這使得輸出電壓上的噪聲比參考電壓高但小于2倍，輸出噪聲適度增加但在敏感應(yīng)用中哪怕這種適度增加都有可能無法接受。

圖1.顯示內(nèi)部噪聲源的可調(diào)節(jié)LDO簡(jiǎn)化框圖

LDO噪聲

LDO的主要噪聲源是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和誤差放大器。當(dāng)今的器件工作時(shí)內(nèi)部偏置電流為幾百nA或更低，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15A的靜態(tài)電流。這些小電流需要使用高達(dá)1G的偏置電阻，使得誤差放大器和基準(zhǔn)電壓電路相比分立式部署更為噪雜。典型LDO采用電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，因此噪聲增益等于交流閉環(huán)增益，其結(jié)果與直流閉環(huán)增益相同。

降低LDO噪聲

兩種降低LDO噪聲的主要方法是過濾基準(zhǔn)電壓，以及降低誤差放大器的噪聲增益。某些LDO可采用外部電容過濾基準(zhǔn)電壓。事實(shí)上，許多所謂的超低噪聲LDO都需要使用外部降噪電容來實(shí)現(xiàn)其低噪聲性能。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是誤差放大器噪聲和任何殘留的基準(zhǔn)電壓噪聲依然會(huì)通過交流閉環(huán)增益放大。這使得噪聲與輸出電壓成正比。

降低誤差放大器的噪聲增益可使LDO的輸出噪聲不隨輸出電壓上升而大幅增加。不幸的是，這對(duì)于固定輸出LDO而言是不可行的，因?yàn)榉答伖?jié)點(diǎn)不易獲得。然而幸運(yùn)的是，該節(jié)點(diǎn)在可調(diào)節(jié)輸出LDO中容易獲得。

圖2顯示的是一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出LDO，其中R1和R2設(shè)置輸出電壓。由R3和C1構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可降低誤差放大器的交流增益。為確保具有低相位裕量（或者非單位增益穩(wěn)定）LDO的穩(wěn)定性，選擇R3將放大器的高頻增益設(shè)為1.1左右。如需降低1/f區(qū)的噪聲，則需選擇C1將低頻零點(diǎn)設(shè)為10Hz以下。

圖2.降低可調(diào)節(jié)輸出LDO噪聲增益的簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò)

圖3將交流閉環(huán)增益（其降噪網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)）與開環(huán)增益以及未經(jīng)過修改的閉環(huán)增益進(jìn)行比較。采用降噪網(wǎng)絡(luò)后，在大部分帶寬中交流增益接近單位增益，因此基準(zhǔn)電壓噪聲和誤差放大器噪聲放大的程度較低。

圖3.LDO環(huán)路增益與頻率的關(guān)系（帶降噪網(wǎng)絡(luò)）

圖4顯示降噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)ADP125LDO噪聲譜密度的影響。該曲線比較了使用和不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)，4V電壓下的噪聲譜密度，以及單位增益下的噪聲譜密度。

可看到在20Hz至2kHz范圍內(nèi)，噪聲性能得到了極大的改善。在R1和C1組成的零點(diǎn)之上，采用降噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性與單位增益時(shí)基本相同。噪聲譜密度曲線在20kHz以上融合，這是因?yàn)檎`差放大器的閉環(huán)增益與開環(huán)增益相交，無法進(jìn)一步降低噪聲增益。

圖4.可調(diào)節(jié)輸出LDOADP125的噪聲譜密度

電源抑制

此頻率范圍內(nèi)的電源抑制比(PSRR)同樣得到了改善。PSRR衡量電路抑制電源輸入端出現(xiàn)的外來信號(hào)(噪聲和紋波)，使這些干擾信號(hào)不至于破壞電路輸出的能力。PSRR定義為：PSRR=VEIN/VEOUT。這還可以用dB表示：PSR=20log(VEIN/VEOUT)，其中VEIN和VEOUT為出現(xiàn)在輸入端和輸出端的外來信號(hào)。

對(duì)于大部分模擬電路，PSR用于為電路內(nèi)部供電的引腳。然而，對(duì)于LDO，輸入引腳不僅為內(nèi)部電路供電，還為穩(wěn)壓輸出提供負(fù)載電流。

改善PSR

使用降噪網(wǎng)絡(luò)降低可調(diào)節(jié)輸出LDO輸出噪聲還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即還能改善低頻PSR。圖2中的R1、R3和C1形成超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，其零點(diǎn)大致在1/(R1C1)處，極點(diǎn)大致在1/(R3C1)處。超前-滯后網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)償環(huán)路提供正饋功能，因此能改善PSR。對(duì)于低于閉環(huán)增益和開環(huán)增益融合的頻率而言，若改善的量以dB表示，則數(shù)值約為20log(1+R1/R3)。

圖5顯示降噪網(wǎng)絡(luò)對(duì)可調(diào)節(jié)輸出LDOADP7102所產(chǎn)生的影響。若輸出為9V，則R1=64k、R2=10k、R3=1k、C1=1F。R1和C1在大約2.5Hz時(shí)建立的零點(diǎn)證明10Hz以上PSRR得到了改善。在100Hz至1kHz范圍內(nèi)，總PSRR增加約17dB。改善情況直到約20kHz處才有所下降；在該處，開環(huán)增益和閉環(huán)增益融合。

圖5.使用和不使用降噪網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)節(jié)輸出

LDOADP7102/ADP7104的PSRR

瞬態(tài)負(fù)載改善

降噪網(wǎng)絡(luò)還能改善LDO的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。同樣，R1、R3和C1執(zhí)行補(bǔ)償環(huán)路的前饋功能。負(fù)載瞬態(tài)的高頻分量由未經(jīng)衰減的誤差放大器檢測(cè)允許誤差放大器快速響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。圖6顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)的ADP125負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)情況。使用降噪網(wǎng)絡(luò)后，LDO能在50s內(nèi)響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)，而不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)為500s。

(a)不使用降噪網(wǎng)絡(luò)

(b)使用降噪網(wǎng)絡(luò)

圖6.可調(diào)節(jié)輸出LDOADP125的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)

對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

降噪網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)極大地增加啟動(dòng)時(shí)間。圖7顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時(shí)的ADP125啟動(dòng)時(shí)間。正常啟動(dòng)時(shí)間約為600s。若C1=10nF，則啟動(dòng)時(shí)間增至6ms；若C1=1F，則增至600ms。對(duì)于電路完全上電后不再開關(guān)LDO的應(yīng)用而言，啟動(dòng)時(shí)間增加應(yīng)該不是問題。

(a)不使用降噪網(wǎng)絡(luò)

(b)使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1=10nF

(c)使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1=1F

圖7.可調(diào)節(jié)輸出LDOADP125的啟動(dòng)時(shí)間

結(jié)論

通過添加一個(gè)簡(jiǎn)單的RC降噪網(wǎng)絡(luò)，便可明顯改善可調(diào)節(jié)輸出LDO的噪聲、電源抑制和瞬態(tài)性能，為高速時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓控振蕩器和鎖相環(huán)等噪聲敏感型應(yīng)用帶來極大的優(yōu)勢(shì)。

ADP125,ADP171,ADP1741,ADP1753,ADP1755,ADP7102,ADP7104,和ADP7105等LDO均具有這種通用架構(gòu)，并將極大地受益于降噪網(wǎng)絡(luò)的使用。該技巧可用于與圖2所示相似的LDO架構(gòu)，在該架構(gòu)中，基準(zhǔn)電壓噪聲和誤差放大器噪聲均由直流閉環(huán)增益放大，因此輸出噪聲與輸出電壓成比例關(guān)系。

較新的超低噪聲LDO比如ADM7151不會(huì)得益于此降噪網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵摷軜?gòu)采用單位增益LDO誤差放大器，所以基準(zhǔn)電壓等于輸出電壓。此外，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓濾波器極點(diǎn)低于1Hz，可極大地過濾基準(zhǔn)電壓，并消除幾乎全部基準(zhǔn)電壓噪聲影響。