LDO环路稳定性及其对射频频综相噪的影响

本文首先简要地介绍了LDO的噪声来源及环路稳定性对输出噪声的影响；其次，根据调频理论推导出VCO的相位噪声与LDO的噪声频谱密度的理论计算关系。在此基础上，为了验证LDO噪声对射频频综输出相噪的影响，分别采用TPS7A8101和TPS74401 LDO评估板给TRF3765射频频综评估板供电，对比测试这两种情况下的TRF3765相噪曲线；同时，为了验证LDO环路稳定性对频综相噪的影响，针对TPS7A8101评估板的参考电路做出部分修改，并对比测试了电路修改前后的TRF3765输出相噪。

1、LDO噪声来源及环路稳定性对输出噪声影响

1.1 LDO噪声来源

LDO的噪声分为LDO内部的噪声和LDO外部的噪声。LDO内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源，放大器以及晶体管。LDO外部的噪声来自于输入。在LDO的手册中，PSRR是表征LDO抑制外部噪声的能力，但PSRR高并不代表LDO内部噪声小。LDO的总输出噪声才是表征LDO内部噪声抑制的参数，一般在电气特性表里用单位？VRMS表示，或者在噪声频谱密度图上表示。

图2是LDO内部结构框图，VN代表等效噪声源。噪声源包括带隙基准源产生的噪声VN （REF），误差放大器产生的噪声VN （AMP），FET产生的噪声VN （FET）以及反馈电阻产生的噪声VN （R1）和VN （R2）。在大多数情况下，由于带隙基准源电路是由很多不同的电阻、晶体管和电容组成，它所产生的噪声会远远大于反馈电阻产生的噪声。而且带隙基准源是误差放大器的输入，它所产生的噪声也会经由误差放大器放大来控制FET，所以误差放大器本身以及FET所产生的噪声也会比带隙基准源的噪声要低。可以说，LDO内部最大的噪声源就是带隙基准源。我们把LDO输出噪声VN （OUT）表示为

VN （Other）是VN （AMP）以及VN （FET）的和。由公式1可以得出，输出噪声最小值出现在R1短接到FB，误差放大器的增益近似为1的时候。

1.2 LDO噪声抑制方法

为了抑制带隙基准源产生的噪声，有三种办法。
一是降低误差放大器的带宽，抑制了带隙基准源的高频噪声。但是降低带宽会使LDO的动态性能降低。
二是在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波。高性能的LDO都会有一个噪声抑制NR管脚，CNR并联在带隙基准源和GND之间，起到低通滤波的作用。如图3所示。

三是在反馈电阻R1上增加前馈电容CFF.在增加了CFF和CNR后，输出噪声可以表示为

从式2可以得出，CFF越大，输出噪声就越小。频率越高，输出噪声越小。
图4是不同CFF下的噪声频谱密度图。可以看出，CFF越大，噪声从低频开始都能被很好的抑制。CFF太小的时候，抑制噪声的作用就不太明显。当频率很高的时候，不管用多大的CFF，噪声频谱密度相差不会太大。所以，增加合适的前馈电容CFF，对改善LDO低频噪声有非常好的效果。

1.3 LDO环路稳定性与输出噪声的关系

从LDO的小信号分析可以看出，LDO有两个低频极点，如果没有合适的零点补偿，LDO的稳定裕度不够，就有可能产生震荡。稳定裕度不够的LDO产生的内部噪声会更大。上节中提到第三种噪声抑制方法，即增加前馈电容CFF是实际上为了改善系统稳定裕度。由CFF与R1组成一个低频零点，。

由下图的频率响应可以看出，零点是相位裕度有了很大的提升，增加了系统稳定性，从而减小了系统低频噪声。

2、LDO噪声与VCO输出相噪的关系

电源引入噪声对锁相环中各个有源器件都可能造成影响，其中最为敏感的部分是VCO，本文将着重讨论LDO输出噪声对VCO相噪的影响。
一个典型的LDO供电的频综系统框图如图7所示：加载在电源上的噪声信号通过频率调制过程调制到VCO的输出，造成VCO输出相噪恶化。

根据经典调频系统理论，调制指数β由式（3）来表示
对于电源噪声调制，式中的频率背离（Frequency Deviation）可由下式得到

式中，Kpush是VCO的电源推压指数，它表征的是VCO对电源噪声波动的灵敏度，单位用MHz/V来表示；A是电源噪声信号幅度。
对于采用LDO供电的射频频综来说，通常用LDO的指定频率偏移的频谱噪声密度Sldo（f）（Noise Spectrum Density）来表征电源噪声，由于它是一个RMS电压值，所以式（4）可以表示为

式中，f是相应的频率偏移。
由不同频率成分噪声调制到载波输出引起的单边带噪声，由下式表示

由式（8）可见，对于给定的VCO，由于Kpush是一个确定的值，因此由LDO噪声引起的VCO输出相噪是由LDO的噪声频谱密度（Noise Spectrum Density）决定的。

3、采用不同LDO进行射频频综供电对比测试

3.1 TPS7A8101/TPS74401频综供电对比测试

TPS7A8101和TPS74401是TI推出的两款高性能LDO芯片。与TPS74401相比，由于具有更高的环路增益和带宽，TPS7A8101具有更高的电源噪声抑制比（PSRR）；然而