LDO 噪声详解

引言

随着通信信道的复杂度和可靠性不断增加，人们对于电信系统的要求和期望也不断提高。这些通信系统高度依赖于高性能、高时钟频率和数据转换器器件，而这些器件的性能又非常依赖于系统电源轨的质量。当使用一个高噪声电源供电时，时钟或者转换器 IC 无法达到最高性能。仅仅只是少量的电源噪声，便会对性能产生极大的负面影响。本文将对一种基本 LDO 拓扑进行仔细研究，找出其主要噪声源，并给出最小化其输出噪声的一些方法。

表明电源品质的一个关键参数是其噪声输出，它常见的参考值为 RMS 噪声测量或者频谱噪声密度。为了获得最低 RMS 噪声或者最佳频谱噪声特性，线性电压稳压器（例如：低压降电压稳压器，LDO），始终比开关式稳压器有优势。这让其成为噪声敏感型应用的选择。

基本 LDO 拓扑

一个简单的线性电压稳压器包含一个基本控制环路，其负反馈与内部参考比较，以提供恒定电压-与输入电压、温度或者负载电流的变化或者扰动无关。

图 1 显示了一个 LDO 稳压器的基本结构图。红色箭头表示负反馈信号通路。输出电压 V_OUT 通过反馈电阻 R1 和 R2 分压，以提供反馈电压 V_FB。V_FB 与误差放大器负输入端的参考电压 V_REF 比较，提供栅极驱动电压 V_GATE。最后，误差信号驱动输出晶体管 NFET，以对 V_OUT 进行调节。

图 1 LDO 负反馈环路

简单噪声分析以图 2 作为开始。蓝色箭头表示由常见放大器差异代表的环路子集（电压跟随器或者功率缓冲器）。这种电压跟随器电路迫使 V_OUT 跟随 V_REF。V_FB 为误差信号，其参考 V_REF。在稳定状态下，V_OUT 大于 V_REF，其如方程式 1 所描述：

图 2 LDO 参考电压缓冲

其中，1 + R1/R2 为误差放大器必须达到稳态输出电压 (V_OUT) 的增益。

假设电压参考不理想，并在其DC输出电压（V_REF）上有一个有效噪声因数V_N（REF）。假设图 2 中所有电路模块均理想，V_OUT 便为噪声源的函数。可以轻松地对方程式 1 进行修改，以考虑到噪声源，如方程式 2 所示：

其中，V_N（REF） 为输出的单独噪声影响因素，如方程式 3 所示：

通过方程式 2 和 3，我们可以清楚地看到，更高的输出电压产生更高的输出噪声。反馈电阻 R1 和 R2 设置（或者调节）输出电压，从而设置输出噪声电压。因此，许多LDO器件的特点是，噪声性能与输出电压有关。例如，V_N = 16 µV_RMS×V_OUT 说明了一种标准的输出噪声描述方式。

主要 LDO 输出电压噪声源

对于大多数典型的LDO器件来说，主要输出噪声源为方程式3所示经过放大的参考噪声。虽然总输出噪声因器件不同而各异，但一般都是如此。图 3 为一个完整的结构图，显示了其各个电路组件的相应等效噪声源。由于任何有电流流过的器件都是一个潜在的噪声源，图 1 和图 2 所示所有单个组件均为一个噪声源。

图 4 由图 3 改画而来，目的是包括 OUT 节点的所有等效参考噪声源。完整的噪声方程式为：

图 3 等效噪声源 LDO 拓扑

图 4 统一噪声源 LDO 拓扑

在大多数情况下，由于参考电压模块即能带隙电路由许多电阻器、晶体管和电容器组成，因此 V_N（REF） 往往会大于该方程式中最后三个噪声源，其中 V_N(REF) >> V_N(R1) 或者 V_N(REF) >> V_N(R2)。因此，方程式 4 可以简化为：

就高性能 LDO 器件而言，常见的方法是添加一个降噪 (NR) 引脚，以消除参考噪声。图5描述了NR引脚如何降低噪声。由于V_N（REF）为主要输出噪声源，因此我们在参考电压模块（V_REF）和误差放大器之间插入一个RC滤波电容器C_NR，旨在减少这种噪声。RC 滤波器减少噪声的程度由一个衰减函数决定：

其中

图 5 参考噪声滤波器 LDO 拓扑

图 6 RMS 噪声与输出电压的关系

因此，放大参考噪声被降至(1 + R1/R2) × V_N(REF) × G_RC，则方程式5变为：

在现实世界中，所有控制信号电平均依赖于频率，包括噪声信号在内。如果误差放大器带宽有限，则高频参考噪声 (V_N(REF)) 通过误差放大器滤波，其方式与使用 RC 滤波器类似。但在实际情况下，误差放大器往往具有非常宽的带宽，因此 LDO 器件拥有非常好的电源纹波抑制 (PSRR) 性能，其为高性能 LDO 的另一个关键性能参数。为了满足这种矛盾的要求，IC 厂商选择使用宽带宽误差放大器，以实现最佳低噪声 PSRR。如果低噪声也为强制要求，则这样做会带来 NR 引脚功能的使用。

典型电路中参考噪声的控制

放大参考噪声

TI TPS74401 LDO 用于测试和测量。表 1 列出了常见配置参数。请注意，为了便于阅读，TPS74401 产品说明书的软启动电容器 C_SS 是指降噪电容器 C_NR。

表 1 设置参数