低壓差（LDO）調節器的噪聲源

為什么噪聲源很重要

噪聲重要與否，取決于它對目標電路工作的影響程度。

例如，一個(gè)開(kāi)關(guān)電源在3 MHz時(shí)具有顯著(zhù)的輸出電壓紋波，如果它為之供電的電路僅有幾Hz的帶寬，如溫度傳感器等，則該紋波可能不會(huì )產(chǎn)生任何影響。但是，如果該開(kāi)關(guān)電源為RF鎖相環(huán)(PLL)供電，結果可能大不相同。

為了成功設計一個(gè)魯棒的系統，了解噪聲源、其頻譜特性、降噪策略以及目標電路對該噪聲的敏感程度至關(guān)重要。

本應用筆記還會(huì )力圖澄清電源抑制比(PSRR)與內生噪聲的區別，并且說(shuō)明如何應用數據手冊中每個(gè)參數的規格。

噪聲源

低壓差(LDO)調節器，或者說(shuō)任何電路的噪聲源都可以分為兩大類(lèi)：內部噪聲和外部噪聲。內部噪聲好比是您頭腦中的噪聲，外部噪聲則好比是來(lái)自噴氣式飛機的噪聲。

對于電子電路，內部噪聲是指任何電子器件內部產(chǎn)生的噪聲，外部噪聲則是指從電路外部傳到電路中的噪聲。

LDO易于使用，但PSRR和內生噪聲常常令人困惑。許多情況下，都將二者一起簡(jiǎn)單地歸類(lèi)為噪聲，這是對性能指標的誤用，因為這兩種噪聲具有不同的特性，并且用于降低其對系統性能影響的方法也不同。

圖1為LDO的簡(jiǎn)單框圖，顯示了內部噪聲源與外部噪聲源的區別。誤差放大器決定LDO的PSRR,因而也決定了其抑制輸入端噪聲的能力。內部噪聲則始終出現在LDO的輸出端。

圖1. 顯示內部和外部噪聲源的簡(jiǎn)化LDO框圖

內部噪聲

內部噪聲有許多來(lái)源，各種噪聲源都有自己獨一無(wú)二的特性。圖2顯示了一個(gè)典型器件的噪聲如何隨頻率而變化，以及各類(lèi)噪聲對總噪聲的貢獻。從1/f區到熱區的躍遷點(diǎn)稱(chēng)為轉折頻率。內部噪聲主要有以下幾類(lèi)：熱噪聲、1/f噪聲、散粒噪聲、爆裂或爆米花噪聲。

圖2. 典型噪聲功率與頻率的關(guān)系

熱噪聲

在絕對零度以上的任何溫度，導體或半導體中的載流子(電子和空穴)會(huì )發(fā)生擾動(dòng)，這就是熱噪聲(亦稱(chēng)約翰遜噪聲或白噪聲)的來(lái)源。熱噪聲功率與溫度成比例。它具有隨機性，因而不隨頻率而變化。

熱噪聲是一個(gè)物理過(guò)程，可以通過(guò)下式計算：

其中：

k表示波爾茲曼常數(1.38-23 J/K)。

T表示絕對溫度(K = 273°C)。

R表示電阻(單位Ω)。

B表示觀(guān)察到噪聲的帶寬(單位Hz,電阻上測得的均方根電壓也是進(jìn)行測量的帶寬的函數)。

例如，一個(gè)100 k電阻在1 MHz帶寬和室溫下給電路增加的噪聲為：

1/f噪聲

1/f噪聲來(lái)源于半導體的表面缺陷。1/f噪聲功率與器件的偏置電流成正比，并且與頻率成反比，這一點(diǎn)與熱噪聲不同。即使頻率非常低，該反比特性也成立，然而，當頻率高于數kHz時(shí)，關(guān)系曲線(xiàn)幾乎是平坦的。1/f噪聲也稱(chēng)為粉紅噪聲，因為其權重在頻譜的低端相對較高。

1/f噪聲主要取決于器件幾何形狀、器件類(lèi)型和半導體材料，因此，要創(chuàng )建其數學(xué)模型極其困難，通常使用各種情況的經(jīng)驗測試來(lái)表征和預測1/f噪聲。

一般而言，具有埋入結的器件，如雙極性晶體管和JFET等，其1/f噪聲往往低于MOSFET等表面器件。

散粒噪聲

散粒噪聲發(fā)生在有勢壘的地方，例如PN結中。半導體器件中的電流具有量子特性，電流不是連續的。當電荷載子、空穴和電子跨過(guò)勢壘時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生散粒噪聲。像熱噪聲一樣，散粒噪聲也是隨機的，不隨頻率而變化。

爆裂或爆米花噪聲爆裂或爆米花噪聲是一種低頻噪聲，似乎與離子污染有關(guān)。爆米花噪聲表現為電路的偏置電流或輸出電壓突然發(fā)生偏移，這種偏移持續的時(shí)間很短，然后偏置電流或輸出電壓又突然返回其原始狀態(tài)。這種偏移是隨機的，但似乎與偏置電流成正比，與頻率的平方成反比(1/f2)。

由于現代半導體工藝技術(shù)的潔凈度非常高，爆裂噪聲幾乎已經(jīng)被消除，不再是器件噪聲的一個(gè)主要因素。

外部噪聲

外部噪聲源遠多于內部噪聲源，包括以下幾類(lèi)：

● 耦合到敏感電路中的電磁場(chǎng)。

●導致壓電材料產(chǎn)生干擾交流電壓的機械沖擊或振動(dòng)。

●來(lái)自其他電路，通過(guò)電源或設計不佳的PCB布局布線(xiàn)傳導或輻射到電路中的噪聲。

電磁耦合

電磁場(chǎng)可以通過(guò)以下一種或多種方法在電路中感應噪聲：

輻射耦合、容性耦合、感性耦合和傳導耦合。通過(guò)適當的PCB布局布線(xiàn)和屏蔽技術(shù)，可以降低此類(lèi)耦合的影響，但這不在本應用筆記的討論范圍之內。

壓電效應

某些器件，如高容值多層陶瓷電容等，對機械沖擊和振動(dòng)敏感(即具有顫噪效應)，這是因為其結構中使用了高介電常數材料。這些電介質(zhì)具有高壓電性，很容易將微小的機械振動(dòng)轉換為毫伏甚至微伏電平信號。因此，低電平信號鏈電路中不推薦使用高容值陶瓷電容。

雖然薄膜電容不具有壓電性，但它也對振動(dòng)敏感，這是因為薄膜電介質(zhì)上的任何機械應力都會(huì )使薄膜厚度發(fā)生細微變化，導致電容略微增大或減小。電容中存儲的能量是恒定的，因此電壓必須略微改變以適應電容變化。能量、電容和電壓之間的關(guān)系可通過(guò)下式來(lái)描述：

機械應力消除后，電容上的電壓回到其原始狀態(tài)。如果機械應力是周期性的，則將產(chǎn)生一個(gè)小交流電壓。

電源噪聲

電源噪聲和紋波一般是LDO輸出端僅次于內部噪聲的最主要噪聲源。根據噪聲源的頻譜成分，LDO可以大大改善下游電路的電源質(zhì)量。

在許多系統中，來(lái)自交流電源或電池的電源由高效率開(kāi)關(guān)模式電源轉換為中間電壓，以便在整個(gè)系統中分配。這些中間電壓在使用點(diǎn)被轉換為特定電壓。

開(kāi)關(guān)模式電源的噪聲主要取決于其拓撲結構和負載狀態(tài)。

頻譜成分可以是從數Hz到數十MHz.許多情況下，為了給敏感的模擬負載供電，需要通過(guò)LDO凈化高噪聲電源分配總線(xiàn)。LDO抑制輸入源噪聲的能力取決于其PSRR以及它如何隨頻率而變化。

LDO中的噪聲

LDO的主要內部噪聲源是內部基準電壓和誤差放大器。

現代LDO采用數十nA的內部偏置電流工作，以便實(shí)現15μA或更低的靜態(tài)電流。這種低偏置電流要求使用高達G級的大值偏置電阻。

基準電壓噪聲

電阻的熱噪聲定義為Vn = √(4kTRB)，可以看出，電阻對基準電壓電路噪聲的貢獻可能相當大。幸運的是，LDO的基準電壓不需要數Hz以上的帶寬，可以利用片內無(wú)源濾波來(lái)輕松降低該噪聲。

例如，一個(gè)源阻抗為0.1 GΩ的帶隙基準電壓源在10 Hz到100kHz范圍內具有407μV rms的噪聲，將帶寬限制在10 Hz,噪聲可以降低至4.1μV rms.如果將帶寬降低至1.6 Hz,則基準電壓源的噪聲貢獻降低至1.3μV rms.利用一個(gè)1 GΩ電阻和一個(gè)100 pF電容可以構建一個(gè)轉折頻率為1.6 Hz的單極點(diǎn)RC濾波器。圖3顯示了如何在芯片中實(shí)現這樣一個(gè)1.0 V超低噪聲基準電壓源。

圖3. 超低噪聲、超低功耗基準電壓源(ADP223)

誤差放大器噪聲

如果使用低噪聲基準電壓源，則誤差放大器將成為總輸出噪聲的重要來(lái)源?；鶞孰妷涸春驼`差放大器的噪聲貢獻不相關(guān)，必須通過(guò)均方根方法求和。

圖4所示為一個(gè)具有500 mV基準電壓源的2.5 V輸出LDO示例?；鶞孰妷涸吹脑肼暈?μV rms,誤差放大器的噪聲為1.5μV rms,總噪聲為9 μV rms,計算如下：

圖4. 基準電壓源和誤差放大器的噪聲貢獻(ADP223)。

降低LDO噪聲

用于降低LDO噪聲的方法主要有兩種：

●對基準電壓進(jìn)行濾波

● 降低誤差放大器的噪聲增益

某些LDO允許使用外部電容來(lái)對基準電壓進(jìn)行濾波。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(lái)實(shí)現其低噪聲性能。對基準電壓進(jìn)行外部濾波的缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間與濾波電容的大小成比例，圖3說(shuō)明了為什么會(huì )如此。連接100 pF電容的節點(diǎn)被引出，以便連接外部電容。

降低誤差放大器的噪聲增益對啟動(dòng)時(shí)間的影響不如對基準電壓進(jìn)行濾波那樣大，因而更容易在啟動(dòng)時(shí)間與輸出噪聲之間權衡選擇。遺憾的是，對于固定輸出LDO,由于無(wú)法接入反饋節點(diǎn)，輸出噪聲一般無(wú)法降低。然而，在大多數可調輸出LDO中，很容易接入反饋節點(diǎn)。

如果誤差放大器的噪聲貢獻大于基準電壓源的貢獻，則降低誤差放大器的噪聲增益可以顯著(zhù)降低LDO的總噪聲。確定誤差放大器是否是主要噪聲來(lái)源的一種方法，就是比較特定LDO的固定輸出版本與可調輸出版本的噪聲。如果固定輸出LDO的噪聲遠低于可調輸出LDO,則誤差放大器是主要噪聲源。

圖5所示為一個(gè)2.5 V輸出可調LDO,R1、R2、R3和C1為外部元件。所選的R3用于將放大器的高頻增益設置為1.5倍至2倍。某些LDO的相位裕量較低，或者在單位增益下不穩定。所選的C1用于將降噪網(wǎng)絡(luò )(C1、R1和R3)的低頻零點(diǎn)設置在10 Hz至100 Hz范圍內，確保1/f區中的噪聲得到充分降低。

圖5. 降低可調輸出LDO的噪聲增益

圖6顯示了降噪(NR)網(wǎng)絡(luò )對高壓可調LDO噪聲譜密度的影響。從圖6可以看出，在20 Hz至2 kHz范圍，噪聲性能提高大約3倍(~10 dB)。注意，兩條曲線(xiàn)在20 kHz以上融合，這是因為誤差放大器的閉環(huán)增益達到放大器的開(kāi)環(huán)特性，無(wú)法進(jìn)一步降低噪聲增益。

在同一頻率范圍內，PSRR性能也有改善(更多信息參見(jiàn)改善PSRR部分)。

圖6. 可調輸出LDO的噪聲譜密度

LDO數據手冊中的噪聲規格

通常，LDO數據手冊通過(guò)兩種方式來(lái)規定內部噪聲：

● 一定帶寬內的總積分噪聲，用V rms表示(見(jiàn)圖7)

●噪聲譜密度曲線(xiàn)，噪聲與頻率的關(guān)系用V/Hz表示(見(jiàn)圖6)ADI公司數據手冊規定10 Hz至100 kHz帶寬內的總積分噪聲。圖7顯示了10 Hz至100 kHz帶寬內ADP223在不同輸出電壓下的總均方根噪聲與負載電流的關(guān)系。

通常而言，輕負載下的均方根噪聲較低，因為L(cháng)DO的帶寬隨著(zhù)靜態(tài)電流而降低。當負載電流達到數mA時(shí)，LDO以全帶寬工作，噪聲不隨負載而變化。

圖7. 均方根噪聲與負載電流和輸出電壓的關(guān)系(ADP223)

圖8所示為ADP223的噪聲譜密度圖，它顯示了10 Hz至100 kHz頻率范圍內噪聲譜密度隨輸出電壓的變化情況。

在該帶寬內對此圖中的數據進(jìn)行積分可得到均方根噪聲。

對于任意頻率范圍，可以使用以下公式來(lái)估算均方根噪聲：

其中：

BW = NFU -NFL

NFL為頻率下限時(shí)的噪聲(單位μV/√Hz)。

NFU為頻率上限時(shí)的噪聲(單位μV/√Hz)。

例如，對于圖8中的1.2 V輸出，10 Hz至100 Hz范圍內的均方根噪聲約為：

噪聲譜密度測量在足夠高的負載電流下進(jìn)行，確保LDO以全帶寬工作，但又不能過(guò)高，以至于引起嚴重的自熱效應。對于最大輸出電流為1 A或以下的大多數LDO,10 mA較為適當。

圖8. 噪聲譜密度與輸出電壓的關(guān)系(ADP223)