低壓差（LDO）調節(jié)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，一個開關電源在3 MHz時具有顯著的輸出電壓紋波，如果它為之供電的電路僅有幾Hz的帶寬，如溫度傳感器等，則該紋波可能不會產生任何影響。但是，如果該開關電源為RF鎖相環(huán)(PLL)供電，結果可能大不相同。

為了成功設計一個魯棒的系統(tǒng)，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重要。

本應用筆記還會力圖澄清電源抑制比(PSRR)與內生噪聲的區(qū)別，并且說明如何應用數據手冊中每個參數的規(guī)格。

噪聲源

低壓差(LDO)調節(jié)器，或者說任何電路的噪聲源都可以分為兩大類：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，都將二者一起簡單地歸類為噪聲，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(tǒng)性能影響的方法也不同。

圖1為LDO的簡單框圖，顯示了內部噪聲源與外部噪聲源的區(qū)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化LDO框圖

內部噪聲

內部噪聲有許多來源，各種噪聲源都有自己獨一無二的特性。圖2顯示了一個典型器件的噪聲如何隨頻率而變化，以及各類噪聲對總噪聲的貢獻。從1/f區(qū)到熱區(qū)的躍遷點稱為轉折頻率。內部噪聲主要有以下幾類：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)會發(fā)生擾動，這就是熱噪聲(亦稱約翰遜噪聲或白噪聲)的來源。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。

熱噪聲是一個物理過程，可以通過下式計算：

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

例如，一個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，關系曲線幾乎是平坦的。1/f噪聲也稱為粉紅噪聲，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、器件類型和半導體材料，因此，要創(chuàng)建其數學模型極其困難，通常使用各種情況的經驗測試來表征和預測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(xù)的。當電荷載子、空穴和電子跨過勢壘時，就會產生散粒噪聲。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。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(xù)的時間很短，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的潔凈度非常高，爆裂噪聲幾乎已經被消除，不再是器件噪聲的一個主要因素。

外部噪聲

外部噪聲源遠多于內部噪聲源，包括以下幾類：

● 耦合到敏感電路中的電磁場。

●導致壓電材料產生干擾交流電壓的機械沖擊或振動。

●來自其他電路，通過電源或設計不佳的PCB布局布線傳導或輻射到電路中的噪聲。

電磁耦合

電磁場可以通過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。通過適當的PCB布局布線和屏蔽技術，可以降低此類耦合的影響，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。這些電介質具有高壓電性，很容易將微小的機械振動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，但它也對振動敏感，這是因為薄膜電介質上的任何機械應力都會使薄膜厚度發(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系可通過下式來描述：

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，則將產生一個小交流電壓。

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量。

在許多系統(tǒng)中，來自交流電源或電池的電源由高效率開關模式電源轉換為中間電壓，以便在整個系統(tǒng)中分配。這些中間電壓在使用點被轉換為特定電壓。

開關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LDO凈化高噪聲電源分配總線。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，可以利用片內無源濾波來輕松降低該噪聲。

例如，一個源阻抗為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1 GΩ電阻和一個100 pF電容可以構建一個轉折頻率為1.6 Hz的單極點RC濾波器。圖3顯示了如何在芯片中實現這樣一個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源。基準電壓源和誤差放大器的噪聲貢獻不相關，必須通過均方根方法求和。

圖4所示為一個具有500 mV基準電壓源的2.5 V輸出LDO示例。基準電壓源的噪聲為1μV 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對基準電壓進行濾波。事實上，許多所謂的超低噪聲LDO都需要使用外部降噪電容來實現其低噪聲性能。對基準電壓進行外部濾波的缺點是啟動時間與濾波電容的大小成比例，圖3說明了為什么會如此。連接100 pF電容的節(jié)點被引出，以便連接外部電容。

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

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降低LDO的總噪聲。確定誤差放大器是否是主要噪聲來源的一種方法，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(wěn)定。所選的C1用于將降噪網絡(C1、R1和R3)的低頻零點設置在10 Hz至100 Hz范圍內，確保1/f區(qū)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)網絡對高壓可調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環(huán)特性，無法進一步降低噪聲增益。

在同一頻率范圍內，PSRR性能也有改善(更多信息參見"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(guī)格

通常，LDO數據手冊通過兩種方式來規(guī)定內部噪聲：

● 一定帶寬內的總積分噪聲，用V rms表示(見圖7)

●噪聲譜密度曲線，噪聲與頻率的關系用V/Hz表示(見圖6)ADI公司數據手冊規(guī)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系。

通常而言，輕負載下的均方根噪聲較低，因為LDO的帶寬隨著靜態(tài)電流而降低。當負載電流達到數mA時，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估算均方根噪聲：

其中：

BW = NFU -NFL

NFL為頻率下限時的噪聲(單位μV/√Hz)。

NFU為頻率上限時的噪聲(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行，確保LDO以全帶寬工作，但又不能過高，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系(ADP223)