了解LDO中的噪声和PSRR

在本文中，我们将介绍低压差 (LDO) 稳压器中噪声和电源抑制比 (PSRR) 的影响。让我们简单讨论一下什么是 LDO。

低压差稳压器

低压差或 LDO 稳压器是一种直流线性稳压器，即使提供给它的输入电压几乎等于输出电压，也可以通过它控制输出电压。LDO 有两个组件 - 功率 FET 和差分放大器（误差放大器）。LDO的配置如下图所示：

低压差稳压器 (LDO) 中的噪声

低压差 (LDO) 稳压器中的噪声源可分为两大类，即内在噪声源和外在噪声源。LDO 的固有噪声有两个主要来源：
    1. 内部参考电压。
    2.误差放大器。

然而，外部噪声就像喷气式飞机发出的噪声一样，是从电路外部的源传递的。

为了获得 15 μA 或更低的静态电流，现代 LDO 使用几十纳安的内部偏置电流。

降低 LDO 的噪声

降低 LDO 噪声的两种主要方法是：
    1. 对基准进行滤波
    2. 降低误差放大器的噪声增益

在一些 LDO 中，使用外部电容器来过滤参考电压。事实上，为了达到低噪声条件，许多所谓的超低噪声 LDO 需要外部噪声衰减电容器。不幸的是，固定输出 LDO 无法降低输出噪声，因为没有进入反馈节点的权利。如果误差放大器对噪声的贡献大于基准电压源的贡献，则可以通过降低误差放大器的噪声增益来降低 LDO 的总体噪声。 

判断误差放大器是否是主要噪声源的唯一方法是比较特定 LDO 的固定版本和可变版本的噪声。如果固定 LDO 的噪声量小于可变 LDO，那么我们可以说误差放大器是主要噪声源。 

该图显示了一个 2.5 V 输出可修改 LDO，其中 R1、R2、R3 和 C1 为外部组件。

R3 用于将放大器的高频增益设置为高达 1.5× 至 2×。而C1用于将降噪系统（C1、R1和R3）的低频零点设置在10Hz至100Hz之间，以确保噪声降低至1/f。 

降噪 (NR) 网络对高压自适应 LDO 噪声频谱密度的结果如下图所示。

从上图中可以看出，20 Hz 至 2 kHz 之间的噪声性能提高了约三倍（约 10 dB）。 

LDO 中的电源抑制比

PSRR 代表“电源抑制比”，由于集成度的提高，它已成为现代片上系统 (SoC) 设计中越来越重要的参数。

PSRR 是两个传递函数之间的比率：
    • 电源节点到输出节点的传递函数，即(Asupply(ω))
    • 输入节点到输出节点A(ω) 的传递函数。A(ω)也称为开环传递函数。

在哪里，

          1/ Asupply(ω) 是电源增益的倒数，称为 PSR。 

从上式可以明显看出，PSRR与A(ω)成正比，与Asupply(ω)成反比。因此，如果 Asupply(ω) 减小并且开环增益 A(ω) 增大，PSRR 将增大。PSRR 基本上是 LDO 抑制输入侧出现纹波的能力。在理想的 LDO 中，直流频率将是唯一的输出电压。然而，由于高频下出现小尖峰，误差放大器并不具有完美的功能。考虑纹波，PSRR 表示如下：
PSRR=20 xlog RippleinputRippleoutput 

实际例子

LDO 具有：

           电源抑制比=55分贝 

           频率= 1 MHz 

           输入纹波 = 1mV

它可以将该频率下的 1 mV 衰减至输出端的 1.78 µV。因此，PSRR 增加了 6dB，相当于衰减增加了 2 倍。 

大多数 LDO 在较低频率（通常为 10 Hz – 1 kHz）下具有相对较高的 PSRR。在宽频带上具有高 PSRR 的 LDO 可以抑制非常高频的噪声，就像开关产生的噪声一样。 
PSRR 会随着频率、温度、电流、输出电压和电压差等参数的变化而波动。PSRR 应为负值，因为它用于计算抑制。然而，该图将其显示为正数，因此图中顶部的数字表示更高的噪声抑制。

测量 LDO 的 PSRR

测量 LDO 的 PSRR 的方法有多种：

    1.使用LC求和节点测量PSRR：

           测量LDO PSRR的基本方法如下图所示。

           在此方法中，两个电压（直流和交流）相加并施加在 LDO 的输入端子上。工作点偏置电压为 VDC，VAC 为噪声源。上图中，电容C用于防止VAC短路VDC，电感L用于防止VDC短路噪声源。

           测量低频 PSRR 取决于由电感器 L 和电容器 C 创建的高通滤波器。该滤波器的 3dB 点由下式确定：                  

           当获得低于 3dB 点的频率时，测量 PSRR 变得困难并且它们开始减弱。

    2. 使用求和放大器测量 PSRR

           为了获得改进的 PSRR 测量，描述了另一种方法，其中使用高带宽放大器作为求和节点来插入信号，从而在 VAC 和 VDC 之间提供隔离。该方法如下图所示：

         在此方法中，PSRR 是在空载条件下测量的。 

使用此方法测量 PSRR 时必须牢记以下因素。
1、输入电容可能是高速放大器进入不稳定状态的原因；在测量 PSRR 之前应移除该电容器。
2. 为了减少电感效应，应使用示波器或网络分析仪同时测量 Vin 和 Vout。
3. 长电线会增加电感并影响结果。这就是为什么测试装置不应该有任何长电线。
4. 选择交流和直流输入值时应考虑以下条件：
              • VAC（最大值）+ VDC < LDO 的 VABS（最大值）
              • VDC – VAC > LDO 的 VUVLO

       如果满足以下条件，将获得最佳结果：
              • VDC–VAC > Vout + Vdo + 0.5
      其中： 

                   Vout 是 LDO 的输出电压，
                   Vdo 是工作点处的特定压差电压。
5. 放大器的结果将开始衰减施加到 LDO 的极高频率的 VAC 信号。
6. MOSFET 输出阻抗与漏极电流成反比，因此导致 LDO 的开环输出阻抗减小，负载电流增大，增益降低。

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