如何使用超低噪聲LDO提供“干凈”的電源

線性穩(wěn)壓器集成電路（IC）將電壓從較高電平降至較低電平，且無需電感。低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器，其壓差（需要保持穩(wěn)壓的輸入和輸出電壓之間的差值）通常低于400 mV。早期的線性穩(wěn)壓器設計提供大約1.3 V的壓差，這意味著對于5 V的輸入電壓，器件進行調節(jié)可實現的最大輸出僅為3.7 V左右。然而，在當今更復雜的設計技術和晶圓制造工藝條件下，“低”大致定義為100mV到300mV左右。

此外，雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一，但從成本/效益角度來說，它往往是最有價值的元件之一。除了輸出電壓調節(jié)之外，LDO穩(wěn)壓器的另一個關鍵任務是保護昂貴的后端負載免受惡劣環(huán)境條件的影響，例如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。

簡而言之，其設計必須堅固耐用，包括所有的保護功能，以抑制在保護負載的同時由環(huán)境帶來的性能影響。許多低成本的LDO線性穩(wěn)壓器因沒有必要的保護功能而失效，不僅會對穩(wěn)壓器本身造成損害，而且還會損壞后端負載。

LDO穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的比較

低壓降壓轉換和調節(jié)可以通過各種方法來實現——

開關穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內高效工作，但需要外部元件（如電感和電容）才能工作，因此占用的電路板面積相對較大。

無電感電荷泵（或開關電容電壓轉換器）也可用來實現更低的電壓轉換，并且通常工作效率更高（取決于轉換區(qū)域），但輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能較差，并且與線性穩(wěn)壓器相比，需要更多的外部元件。

新一代高電流、低電壓的快速數字IC（如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC）對內核和I/O通道供電電源提出了更嚴格的要求。過去，由于電荷泵不能提供足夠的輸出電流和瞬態(tài)響應，因此這些器件一直采用高效的開關穩(wěn)壓器供電。但是，開關穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問題，有時它們的瞬態(tài)響應較慢，并且布局受限。

因此，在這些應用以及其他低壓系統(tǒng)中，可采用LDO穩(wěn)壓器代替。得益于近來的產品創(chuàng)新和功能增強，LDO穩(wěn)壓器具有更受歡迎的一些性能優(yōu)勢。

此外，當涉及對噪聲敏感的模擬/射頻應用（常見于測試和測量系統(tǒng)中，其機器或設備的測量精度需要比被測實體高幾個數量級）時，相對于開關穩(wěn)壓器，LDO穩(wěn)壓器通常是首選。低噪聲LDO穩(wěn)壓器為各種模擬/射頻設計供電，包括頻率合成器（PLL/VCO）、射頻混頻器和調制器、高分辨率的高速數據轉換器以及精密傳感器。然而，這些應用的靈敏度已經達到了傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器的測試極限。例如，在許多高端VCO中，電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲（抖動）。此外，為了滿足整體系統(tǒng)效率的要求，LDO穩(wěn)壓器通常用于對噪聲相對較高的開關轉換器的輸出進行后級調節(jié)，因此LDO的高頻電源紋波抑制（PSRR）性能變得至關重要。再者，與業(yè)界標準的開關穩(wěn)壓器相比，LDO穩(wěn)壓器的噪聲水平可降低兩到三個數量級，從mV （rms）范圍降至幾個μV （rms）范圍。

LDO設計挑戰(zhàn)

一些集成電路，如運算放大器、儀表放大器和數字轉換器（如數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC）），均稱為雙極性，因為它們需要兩個輸入電源供電：一個正電源和一個負電源——

正供電軌通常由正基準電壓供電，或者是由更好的線性或低壓差穩(wěn)壓器供電；

負供電軌傳統(tǒng)上由負開關穩(wěn)壓器或逆變器供電。

但是，基于電感的開關穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng)。隨著負輸出穩(wěn)壓器的出現，負輸出LDO穩(wěn)壓器用于負系統(tǒng)軌供電更具優(yōu)勢，它可以充分利用LDO穩(wěn)壓器的所有特性（無電感、低噪聲、更高PSRR、快速瞬態(tài)響應和多重保護）。較舊的老式LDO穩(wěn)壓器PSRR和噪聲性能要差很多，雖然仍然可以使用它們創(chuàng)建這類低噪聲電源，但卻需要大量額外的元件、電路板空間，并花費大量的設計時間才能將系統(tǒng)整合在一起。這些額外的元件也會 依其特性（如寄生電阻等）對功率預算產生負面影響。

客戶使用運算放大器、ADC或其他信號鏈元件還將面臨另一個系統(tǒng)性能的難題：這些IC的電源抑制能力有限，更糟糕的是，高頻時的電源抑制能力可能會顯著降低。在過去，這意味著需要在電路板上使用額外的濾波元件，但這會增加解決方案的尺寸。此外，如果設計人員試圖獲得更高的精度，一旦穩(wěn)壓器電源噪聲過高，則可能產生更多麻煩，這會導致測量場景出現不希望的變化。

許多業(yè)界標準的線性穩(wěn)壓器采用單電壓供電執(zhí)行低壓差工作，但大多數無法同時實現低輸出噪聲，極低電壓轉換、寬范圍輸入/輸出電壓以及廣泛的保護功能。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實現壓降并在單電源下運行，但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管VGS特性的限制，并且它們不具備高性能穩(wěn)壓器所提供的許多保護功能?；贜MOS的器件可提供快速瞬態(tài)響應，但它們需要兩個偏置電源為器件供電。NPN穩(wěn)壓器可提供寬輸入和輸出電壓范圍，但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下，通過適當的設計架構，PNP穩(wěn)壓器可實現低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高PSRR以及極低的電壓轉換，具有多重保護功能，并且只需單電源軌。

為了獲得最佳的整體效率，許多高性能模擬和射頻電路采用LDO穩(wěn)壓器對開關轉換器的輸出進行后級調節(jié)來供電。這需要在LDO穩(wěn)壓器在輸入至輸出電壓差很小時具有高PSRR和低輸出電壓噪聲。具有高PSRR的LDO穩(wěn)壓器可以輕松過濾和抑制來自開關穩(wěn)壓器的輸出噪聲，而無需體積龐大的濾波元件。此外，器件在寬帶寬范圍內的低輸出電壓噪聲對當今的供電軌很有好處，因為噪聲靈敏度是其中的關鍵考慮因素。高電流時的低輸出電壓噪聲顯然是必備規(guī)格要求。

新型超低噪聲、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器

顯然，能夠解決本文所述問題的LDO解決方案應具有以下特性：

特性

極低輸出噪聲

寬頻率范圍內的高PSRR

低壓差工作

單電源工作（易于使用，輕松應對電源時序難題）

快速瞬態(tài)響應時間

在寬輸入/輸出電壓范圍內工作

適中的輸出電流能力

出色的散熱性能

緊湊的尺寸

針對這些特定需求，ADI 推出了超高PSRR、超低噪聲正輸出LDO穩(wěn)壓器LT304x系列。最新成員是一款超低噪聲、超高PSRR的500 mA低壓差負線性穩(wěn)壓器LT3094。該器件是常用的500 mA LT3045（LT3042為200 mA）的負輸出版本。LT3094的獨特設計使其在10 kHz時具有僅2 nV/√Hz的超低點噪聲，在10 Hz至100 kHz寬帶寬范圍內具有0.85μV rms的集成輸出噪聲。其PSRR性能非常出色：接近4 kHz時的低頻PSRR超過100 dB，2 MHz時的高頻PSRR超過70 dB，可以消除噪聲或高紋波輸入電源。LT3094采用特殊的LDO架構：精密電流源基準后面接著高性能的單位增益緩沖器，可實現幾乎恒定的帶寬、噪聲PSRR和負載調整性能，不受輸出電壓影響。此外，該架構允許多個LT3094并聯(lián)，以進一步降低噪聲，增加輸出電流，并可在印刷電路板上散熱。

LT3094在滿負載時以230 mV壓差提供高達500 mA的輸出電流，可在–2 V至–20 V的寬輸入電壓范圍內工作。輸出電壓范圍為0 V至–19.5 V，輸出電壓誤差精度高，線路、負載和溫度范圍內的精度為±2%。該器件具有寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高PSRR和超低噪聲性能，非常適合為多種應用供電，包括：噪聲敏感應用（如PLL、VCO、混頻器和LNA）；非常低噪聲的儀器儀表，如測試和測量以及高速/高精度數據轉換器；醫(yī)療應用，如成像和診斷以及精密電源；以及用于開關電源的后級調節(jié)器。

LT3094采用小尺寸、低成本的10μF陶瓷輸出電容工作，可優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。利用單個電阻器可編程外部精密電流限值（±10%過溫）。該器件的VIOC引腳可控制前端穩(wěn)壓器，以最大限度地降低功耗并優(yōu)化PSRR。單個SET引腳電容可降低輸出噪聲，并提供基準軟啟動功能，防止輸出電壓在開啟時過沖。此外，該器件的內部保護電路還包括具有折返功能的內部限流和帶遲滯的熱過載。其他功能包括快速啟動功能（如果使用的SET引腳電容值較大，則非常有用）和電源良好標志（業(yè)界首款具有此功能的負輸出LDO穩(wěn)壓器），具有可編程閾值，用于指示輸出電壓調節(jié)。

LT3094采用耐熱增強型12引腳、3 mm×3 mm DFN和MSOP封裝，尺寸緊湊。E級和I級版本的工作結溫范圍為–40°C至+125°C，有現貨供應。

圖1. LT3094的典型應用原理圖和特性。

LT3094需要一個輸出電容才能保持穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，建議使用低ESR和ESL的陶瓷電容。為達到穩(wěn)定性，要求輸出電容最小值為10μF，ESR小于30mΩ，ESL小于1.5 nH。由于使用單個10μF陶瓷輸出電容可獲得高PSRR、低噪聲性能，而較大的輸出電容值僅僅略微提高了性能，因為穩(wěn)壓器帶寬隨著輸出電容的增加而降低，因此，使用比最小輸出電容值10μF更大的輸出電容并不會獲得多大的收益。盡管如此，較大的輸出電容值確實會降低負載瞬變期間的峰值輸出偏差。

圖2. LT3094 PSRR性能。

圖3. LT3094輸出噪聲性能。

器件并聯(lián)的好處

并聯(lián)多個LT3094可獲得更高的輸出電流。將所有SET引腳和所有IN引腳并在一起。使用小尺寸的PCB走線（用作鎮(zhèn)流電阻）將OUT引腳連接在一起，以均衡LT3094中的電流。也可以將兩個以上的LT3094進行并聯(lián)，實現更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲的降低與并聯(lián)器件數的平方根成比例。并聯(lián)多個LT3094對于在PCB上散熱也很有用。對于具有高輸入至輸出電壓差的應用，也可以使用一個輸入串聯(lián)電阻或與LT3094并聯(lián)的電阻進行散熱。圖4所示為并聯(lián)電路實現方案。

圖4. LT3094并聯(lián)工作。

表1. 超高PSRR、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器

結論

正輸出200 mA LT3042、500 mA LT3045以及現在的新型互補的負輸出500 mA 的LT3094 LDO具有突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性結合其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護功能/魯棒性和易用性，使它們非常適合在測試和測量或醫(yī)學成像系統(tǒng)中為噪聲敏感的雙極正/負軌供電。借助基于電流基準的架構，它們的噪聲和PSRR性能不受輸出電壓的影響。此外，多個器件可以直接并聯(lián)，以進一步降低輸出噪聲，增加輸出電流，并可在PCB上散熱。LT3042、LT3045 和 LT3094 可在節(jié)省時間和成本的同時提高應用的性能。