LDO基础知识:噪声

2024-01-18

  在一篇LDO基础知识博文中,我讨论了使用低压差稳压器(LDO)过滤因开关模式电源导致的纹波电压。然而,这不是获得净化直流电源要考虑的事情。因为LDO是电子设备,它们自身也会生成一定数量的噪声。选择使用低噪声LDO和采取步骤减少内部噪声,都可以在不损害系统性能的同时形成净化电源轨的不可分割的措施。

  识别噪声

  理想的LDO具备没有交流元件的电压轨。但缺点在于LDO会和其他电子设备一样生成本体噪声。图 1 显示了这种噪声在时间域中的表现。

  

LDO基础知识:噪声 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

  输出噪声(100μV/p)

  图 1:有噪声电源的输出噪声快照

  在时间域中进行分析是困难的。因此,有两个主要方法来检验噪声:跨越整个频谱,和作为综合值。

  您可以使用频谱分析工具来识别LDO输出线路中的各种交流元件。(应用,“如何测量LDO噪声,”介绍了丰富的噪声测量知识。) 图 2 绘制了1A低噪声LDO TPS7A91的输出噪声。

  噪声(μV√Hz)

  频率(Hz)

  

LDO基础知识:噪声 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

  图 2:TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和VOUT

  如您从各种曲线看到的那样,输出噪声(以每平方根赫兹[μV/ Hz]来表示)集中在频谱低端。该噪声大部分出自内部参考电压,以及误差放大器FET和电阻分压器。

  分析跨越整个频谱的输出噪声,能帮助我们确定感兴趣噪声范围的噪声曲线。例如,音响应用设计师很关注人耳可闻频率(20Hz到20kHz),而电源噪声可能使声音品质下降。

  在进行苹果设备之间的比较时,数据表通常提供的是单一、综合噪声值。输出噪声一般是综合10Hz到100kHz的噪声,用微伏均方根(μVRMS)表示。(各厂商还将综合来自100Hz到100kHz的噪声,或者综合来自自定义频率范围的噪声。基于所选频率范围进行综合,有助屏蔽不讨人喜欢的噪音属性,因此,检查除综合值外的噪声曲线很重要。)图 2 显示了对应各曲线的综合噪声值。德州仪器供应的LDO系列综合噪声值低至3.8μVRMS。

  降噪

  除选择低噪声质量的LDO外,您还可以采用几种技术来确保您的LDO具有噪声特性。这些技术包括使用降噪和前馈电容器。我将在下一篇博文中探讨使用前馈电容器。

  降噪电容器

  TI的许多低噪声LDO系列都具有专门用作“NR/SS”的专用引脚,如图 3 所示。

  VOUT= VREFx (1+R1/ R2)

  至负载

  接地

  VIN

  VBIAS

  VREF

  图 3:具有NR/SS引脚的NMOS LDO

  该引脚的功能有两个:它用于过滤来自内部参考电压的噪声,及降低启动过程中的压摆率或启用LDO。

  为该引脚添加一个电容器(CNR/SS),就可以形成具有内部电阻的RC滤波器,有助于把由参考电压生成的无用噪声分流。由于参考电压是噪声的主要来源,增加电容可推送左侧低通滤波器的截止频率。图 4 显示了该电容器对输出噪声的作用结果。

  无

  噪声(μV√Hz)

  频率(Hz)

  图 4:TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和CNR/SS如图 4 所示,更高的CNR/SS值会产生更理想的噪声值。当达到某个点后,再增加电容值也不再能够降低噪声。其余噪声来自误差放大器和FET等。

  增加电容器还在启动期间形成了电阻电容延迟,这将使输出电压以较低速率上升。当输出或负荷中出现了大容量电容,有益的做法是降低启动电流。

  等式 1 中启动电流等于:

  

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  (1)

  为降低启动电流,您必须减小输出电容或降低压摆率。幸好,CNR/SS 有助实现后者,如图 5 TPS7A85所示。

  时间(ms)

  电压(V)

  

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  图 5:TPS7A85的启动 vs. CNR/SS

  如您所见,增加CNR/SS值会延长启动时间,可防止出现尖峰启动电流和潜在可能触发电流值达到极限的情况。

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