利用RC網(wǎng)絡(luò)降低可調(diào)節(jié)LDO輸出噪聲

低壓差穩(wěn)壓器 （LDO）可用來為高速時鐘、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。噪聲對于高性能模擬電路的設(shè)計人員而言極為重要。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。本文通過實驗數(shù)據(jù)來演示這一簡單方法的有效性。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)今的器件工作時內(nèi)部偏置電流為幾百nA或更低，可實現(xiàn)高達(dá)15μA的靜態(tài)電流。這些小電流需要使用高達(dá)1 GΩ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。事實上，許多所謂的超低噪聲LDO都需要使用外部降噪電容來實現(xiàn)其低噪聲性能。這項技術(shù)的缺點是誤差放大器噪聲和任何殘留的基準(zhǔn)電壓噪聲依然會通過交流閉環(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，這對于固定輸出LDO而言是不可行的，因為反饋節(jié)點不易獲得。然而幸運(yùn)的是，該節(jié)點在可調(diào)節(jié)輸出LDO中容易獲得。

圖2顯示的是一個可調(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將低頻零點設(shè)為10 Hz以下。

圖2. 降低可調(diào)節(jié)輸出LDO噪聲增益的簡單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）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ADP125 LDO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，4 V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20 Hz至2 kHz范圍內(nèi)，噪聲性能得到了極大的改善。在R1和C1組成的零點之上，采用降噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性與單位增益時基本相同。噪聲譜密度曲線在20 kHz以上融合，這是因為誤差放大器的閉環(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LDO ADP125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（噪聲和紋波），使這些干擾信號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 = 20 × log（VEIN/VEOUT），其中VEIN和VEOUT為出現(xiàn)在輸入端和輸出端的外來信號。

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優(yōu)勢，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)，其零點大致在1/（R1 × C1）處，極點大致在1/（R3 × C1）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20 × log（1 + R1/R3）。

圖5顯示降噪網(wǎng)絡(luò)對可調(diào)節(jié)輸出LDOADP7102所產(chǎn)生的影響。若輸出為9 V，則R1=64 kΩ、R2= 10 kΩ、R3 = 1 kΩ、C1 = 1 μF。R1和C1在大約2.5 Hz時建立的零點證明10 Hz以上PSRR得到了改善。在100 Hz至1 kHz范圍內(nèi)，總PSRR增加約17 dB。改善情況直到約20 kHz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

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——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50μs內(nèi)響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)，而不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時為500 μs

圖6. 可調(diào)節(jié)輸出LDO ADP125的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)（a）不使用降噪網(wǎng)絡(luò) （b）使用降噪網(wǎng)絡(luò)

對啟動時間的影響

降噪網(wǎng)絡(luò)的一個缺點是它會極大地增加啟動時間。圖7顯示使用與不使用降噪網(wǎng)絡(luò)時的ADP125 啟動時間。正常啟動時間約為600 μs。若C1=10 nF，則啟動時間增至6 ms；若C1=1 μF，則增至600 ms。對于電路完全上電后不再開關(guān)LDO的應(yīng)用而言，啟動時間增加應(yīng)該不是問題。

圖7. 可調(diào)節(jié)輸出LDO ADP125的啟動時間（a）不使用降噪網(wǎng)絡(luò) （b）使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1=10 nF
（c） 使用降噪網(wǎng)絡(luò)，C1=1 μF

結(jié)論

通過添加一個簡單的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。

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——不會得益于此降噪網(wǎng)絡(luò)，因為該架構(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)電壓濾波器極點低于1 Hz，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。