ADI:可调理输出低压差稳压器的降噪网络

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简介

低压差稳压器(LDO)可用来为高速时钟、模数转换器、数模转换器、压控振荡器和锁相环这些电路供电。噪声关于高功用模仿电路的规划人员而言极为重要。下降噪声的关键是坚持LDO噪声增益挨近单位增益，且不影响沟通功用或直流闭环增益。

本文描绘简略的RC网络怎么下降可调理输出低压差稳压器的输出噪声。本文经过试验数据来演示这一简略办法的有效性。尽管RC网络的首要意图是降噪，但它也能改进电源按捺和负载瞬态呼应。

图 1 显现典型可调理输出LDO的简化框图。输出电压VOUT等于基准电压与差错扩大器直流闭环增益的乘积：V_OUT = V_R × (1 + R1/R2)，其间(1 + R1/R2)是差错扩大器的直流闭环增益。

差错扩大器噪声V_N和基准电压噪声VRN扩大相同的倍数，使输出噪声与设定的输出电压成份额增加。这使得输出电压上的噪声比参阅电压高但小于 2 倍，输出噪声适度增加但在灵敏运用 中哪怕这种适度增加都有或许无法承受。

LDO 噪声

LDO的首要噪声源是内部基准电压和差错扩大器。当今的器材作业时内部偏置电流为几百nA或更低，可完成高达 15 µA的静态电流。这些小电流需求运用高达 1 GΩ的偏置电阻，使得差错扩大器和基准电压电路比较分立式布置更为噪杂。典型LDO选用电阻分压器设置输出电压，因而噪声增益等于沟通闭环增益，其结果与直流闭环增益相同。

下降 LDO 噪声

两种下降LDO噪声的首要办法是过滤基准电压，以及下降差错扩大器的噪声增益。某些LDO可选用外部电容过滤基准电压。事实上，许多所谓的超低噪声LDO都需求运用外部降噪电容来完成其低噪声功用。这项技能的缺陷是差错扩大器噪声和任何残留的基准电压噪声仍然会经过沟通闭环增益扩大。这使得噪声与输出电压成正比。

下降差错扩大器的噪声增益可使LDO的输出噪声不随输出电压上升而大幅增加。不幸的是，这关于固定输出LDO而言是不可行的，由于反应节点不易取得。但是走运的是，该节点在可调理输出LDO中简略取得。

图 2 显现的是一个可调理输出LDO，其间R1 和R2 设置输出电压。由R3 和C1 构成的网络可下降差错扩大器的沟通增益。为保证具有低相位裕量（或许非单位增益安稳）LDO的安稳性，挑选R3 将扩大器的高频增益设为 1.1 左右。如需下降 1/f区的噪声，则需挑选C1 将低频零点设为 10 Hz以下。

图 3 将沟通闭环增益（其降噪网络经过恰当规划）与开环增益 以及未经过修正的闭环增益进行比较。选用降噪网络后，在大 部分带宽中沟通增益挨近单位增益，因而基准电压噪声和差错 扩大器噪声扩大的程度较低。

图 4 显现降噪网络对ADP125 LDO噪声谱密度的影响。该曲线比较了运用和不运用降噪网络时，4 V电压下的噪声谱密度，以及单位增益下的噪声谱密度。

可看到在 20 Hz至 2 kHz范围内，噪声功用得到了极大的改进。在R1 和C1 组成的零点之上，选用降噪网络的噪声特性与单位 增益时根本相同。噪声谱密度曲线在 20 kHz以上交融，这是由于差错扩大器的闭环增益与开环增益相交，无法进一步下降噪声增益。

电源按捺

此频率范围内的电源按捺比(PSRR)相同得到了改进。PSRR衡量电路按捺电源输入端呈现的外来信号(噪声和纹波)，使这些 搅扰信号不至于损坏电路输出的才能。PSRR界说为：PSRR = VE_IN/VE_OUT。这还可以用dB表明：PSR = 20 × log(VE_IN/VE_OUT)， 其间VE_IN 和VE_OUT为呈现在输入端和输出端的外来信号。

关于大部分模仿电路，PSR用于为电路内部供电的引脚。但是，关于LDO，输入引脚不仅为内部电路供电，还为稳压输出供给负载电流。

改进 PSR

运用降噪网络下降可调理输出LDO输出噪声还有另一个优势，即还能改进低频PSR。图 2 中的R1、R3 和C1 构成超前-滞后网络，其零点大致在 1/(R1 × C1)处，极点大致在 1/(R3 × C1)处。超前-滞后网络为补偿环路供给正馈功用，因而能改进PSR。关于低于闭环增益和开环增益交融的频率而言，若改进的量以dB表明，则数值约为 20 × log(1 + R1/R3)。

图 5 显现降噪网络对可调理输出LDO ADP7102 所发生的影响。若输出为 9 V，则R1 = 64 kΩ、R2 = 10 kΩ、R3 = 1 kΩ、C1 = 1 μF。R1 和C1 在大约 2.5 Hz时树立的零点证明 10 Hz以上PSRR得到了改进。在 100 Hz至 1 kHz范围内，总PSRR增加约 17 dB。改进状况直到约 20 kHz处才有所下降；在该处，开环增益和闭环增益交融。

瞬态负载改进

降噪网络还能改进LDO的瞬态负载呼应。相同，R1、R3 和C1履行补偿环路的前馈功用。负载瞬态的高频重量——由未经衰减的差错扩大器检测——答应差错扩大器快速呼应负载瞬态。图 6 显现运用与不运用降噪网络时的ADP125 负载瞬态呼应状况。运用降噪网络后，LDO能在 50 μs内呼应负载瞬态，而不运用降噪网络时为 500 μs。

图 6. 可调理输出 LDO ADP125 的瞬态负载呼应

对发动时刻的影响

降噪网络的一个缺陷是它会极大地增加发动时刻。图 7 显现运用与不运用降噪网络时的ADP125 发动时刻。正常发动时刻约为 600 μs。若C1 = 10 nF，则发动时刻增至 6 ms；若C1 = 1 μF，则增至 600 ms。关于电路彻底上电后不再开关LDO的运用而言，发动时刻增加应该不是问题。

图 7. 可调理输出 LDO ADP125 的发动时刻

定论

经过增加一个简略的RC降噪网络，便可显着改进可调理输出LDO的噪声、电源按捺和瞬态功用，为高速时钟、模数转换器、数模转换器、压控振荡器和锁相环等噪声灵敏型运用带来极大的优势。

ADP125, ADP171, ADP1741, ADP1753, ADP1755, ADP7102, ADP7104, 和 ADP7105等LDO均具有这种通用架构，并将极大 地获益于降噪网络的运用。该技巧可用于与图 2 所示类似的 LDO架构，在该架构中，基准电压噪声和差错扩大器噪声均由 直流闭环增益扩大，因而输出噪声与输出电压成份额联系。

较新的超低噪声LDO——比方ADM7151不会得益于此降 噪网络，由于该架构选用单位增益LDO差错扩大器，所以基准电压等于输出电压。此外，内部基准电压滤波器极点低于 1 Hz，可极大地过滤基准电压，并消除简直悉数基准电压噪声影响。

参阅电路

Morita, Glenn. “低压差调理器——为什么挑选旁路电容很重要.” 模仿对话 第 45 期第 1 号，2011 年。

Morita, Glenn. AN-1120 应 用笔 记,低压差(LDO)调理器的噪声源模仿对话 第 45 期第 1 号，2011 年。