低压差（LDO）调节器的噪声源

为什么噪声源很重要

噪声重要与否，取决于它对目标电路工作的影响程度。

例如，一个开关电源在3 MHz时具有显着的输出电压纹波，如果它为之供电的电路仅有几Hz的带宽，如温度传感器等，则该纹波可能不会产生任何影响。但是，如果该开关电源为RF锁相环(PLL)供电，结果可能大不相同。

为了成功设计一个鲁棒的系统，了解噪声源、其频谱特性、降噪策略以及目标电路对该噪声的敏感程度至关重要。

本应用笔记还会力图澄清电源抑制比(PSRR)与内生噪声的区别，并且说明如何应用数据手册中每个参数的规格。

噪声源

低压差(LDO)调节器，或者说任何电路的噪声源都可以分为两大类：内部噪声和外部噪声。内部噪声好比是您头脑中的噪声，外部噪声则好比是来自喷气式飞机的噪声。

对于电子电路，内部噪声是指任何电子器件内部产生的噪声，外部噪声则是指从电路外部传到电路中的噪声。

LDO易于使用，但PSRR和内生噪声常常令人困惑。许多情况下，都将二者一起简单地归类为噪声，这是对性能指标的误用，因为这两种噪声具有不同的特性，并且用于降低其对系统性能影响的方法也不同。

图1为LDO的简单框图，显示了内部噪声源与外部噪声源的区别。误差放大器决定LDO的PSRR,因而也决定了其抑制输入端噪声的能力。内部噪声则始终出现在LDO的输出端。

图1. 显示内部和外部噪声源的简化LDO框图

内部噪声

内部噪声有许多来源，各种噪声源都有自己独一无二的特性。图2显示了一个典型器件的噪声如何随频率而变化，以及各类噪声对总噪声的贡献。从1/f区到热区的跃迁点称为转折频率。内部噪声主要有以下几类：热噪声、1/f噪声、散粒噪声、爆裂或爆米花噪声。

图2. 典型噪声功率与频率的关系

热噪声

在绝对零度以上的任何温度，导体或半导体中的载流子(电子和空穴)会发生扰动，这就是热噪声(亦称约翰逊噪声或白噪声)的来源。热噪声功率与温度成比例。它具有随机性，因而不随频率而变化。

热噪声是一个物理过程，可以通过下式计算：

其中：

k表示波尔兹曼常数(1.38-23 J/K)。

T表示绝对温度(K = 273°C)。

R表示电阻(单位Ω)。

B表示观察到噪声的带宽(单位Hz,电阻上测得的均方根电压也是进行测量的带宽的函数)。

例如，一个100 k电阻在1 MHz带宽和室温下给电路增加的噪声为：

1/f噪声

1/f噪声来源于半导体的表面缺陷。1/f噪声功率与器件的偏置电流成正比，并且与频率成反比，这一点与热噪声不同。即使频率非常低，该反比特性也成立，然而，当频率高于数kHz时，关系曲线几乎是平坦的。1/f噪声也称为粉红噪声，因为其权重在频谱的低端相对较高。

1/f噪声主要取决于器件几何形状、器件类型和半导体材料，因此，要创建其数学模型极其困难，通常使用各种情况的经验测试来表征和预测1/f噪声。

一般而言，具有埋入结的器件，如双极性晶体管和JFET等，其1/f噪声往往低于MOSFET等表面器件。

散粒噪声

散粒噪声发生在有势垒的地方，例如PN结中。半导体器件中的电流具有量子特性，电流不是连续的。当电荷载子、空穴和电子跨过势垒时，就会产生散粒噪声。像热噪声一样，散粒噪声也是随机的，不随频率而变化。

爆裂或爆米花噪声爆裂或爆米花噪声是一种低频噪声，似乎与离子污染有关。爆米花噪声表现为电路的偏置电流或输出电压突然发生偏移，这种偏移持续的时间很短，然后偏置电流或输出电压又突然返回其原始状态。这种偏移是随机的，但似乎与偏置电流成正比，与频率的平方成反比(1/f2)。

由于现代半导体工艺技术的洁净度非常高，爆裂噪声几乎已经被消除，不再是器件噪声的一个主要因素。

外部噪声

外部噪声源远多于内部噪声源，包括以下几类：

● 耦合到敏感电路中的电磁场。

●导致压电材料产生干扰交流电压的机械冲击或振动。

●来自其他电路，通过电源或设计不佳的PCB布局布线传导或辐射到电路中的噪声。

电磁耦合

电磁场可以通过以下一种或多种方法在电路中感应噪声：

辐射耦合、容性耦合、感性耦合和传导耦合。通过适当的PCB布局布线和屏蔽技术，可以降低此类耦合的影响，但这不在本应用笔记的讨论范围之内。

压电效应

某些器件，如高容值多层陶瓷电容等，对机械冲击和振动敏感(即具有颤噪效应)，这是因为其结构中使用了高介电常数材料。这些电介质具有高压电性，很容易将微小的机械振动转换为毫伏甚至微伏电平信号。因此，低电平信号链电路中不推荐使用高容值陶瓷电容。

虽然薄膜电容不具有压电性，但它也对振动敏感，这是因为薄膜电介质上的任何机械应力都会使薄膜厚度发生细微变化，导致电容略微增大或减小。电容中存储的能量是恒定的，因此电压必须略微改变以适应电容变化。能量、电容和电压之间的关系可通过下式来描述：

机械应力消除后，电容上的电压回到其原始状态。如果机械应力是周期性的，则将产生一个小交流电压。

电源噪声

电源噪声和纹波一般是LDO输出端仅次于内部噪声的最主要噪声源。根据噪声源的频谱成分，LDO可以大大改善下游电路的电源质量。

在许多系统中，来自交流电源或电池的电源由高效率开关模式电源转换为中间电压，以便在整个系统中分配。这些中间电压在使用点被转换为特定电压。

开关模式电源的噪声主要取决于其拓扑结构和负载状态。

频谱成分可以是从数Hz到数十MHz.许多情况下，为了给敏感的模拟负载供电，需要通过LDO净化高噪声电源分配总线。LDO抑制输入源噪声的能力取决于其PSRR以及它如何随频率而变化。

LDO中的噪声

LDO的主要内部噪声源是内部基准电压和误差放大器。

现代LDO采用数十nA的内部偏置电流工作，以便实现15μA或更低的静态电流。这种低偏置电流要求使用高达G级的大值偏置电阻。

基准电压噪声

电阻的热噪声定义为Vn = √(4kTRB)，可以看出，电阻对基准电压电路噪声的贡献可能相当大。幸运的是，LDO的基准电压不需要数Hz以上的带宽，可以利用片内无源滤波来轻松降低该噪声。

例如，一个源阻抗为0.1 GΩ的带隙基准电压源在10 Hz到100kHz范围内具有407μV rms的噪声，将带宽限制在10 Hz,噪声可以降低至4.1μV rms.如果将带宽降低至1.6 Hz,则基准电压源的噪声贡献降低至1.3μV rms.利用一个1 GΩ电阻和一个100 pF电容可以构建一个转折频率为1.6 Hz的单极点RC滤波器。图3显示了如何在芯片中实现这样一个1.0 V超低噪声基准电压源。

图3. 超低噪声、超低功耗基准电压源(ADP223)

误差放大器噪声

如果使用低噪声基准电压源，则误差放大器将成为总输出噪声的重要来源。基准电压源和误差放大器的噪声贡献不相关，必须通过均方根方法求和。

图4所示为一个具有500 mV基准电压源的2.5 V输出LDO示例。基准电压源的噪声为1μV rms,误差放大器的噪声为1.5μV rms,总噪声为9 μV rms,计算如下：

图4. 基准电压源和误差放大器的噪声贡献(ADP223)。

降低LDO噪声

用于降低LDO噪声的方法主要有两种：

●对基准电压进行滤波

● 降低误差放大器的噪声增益

某些LDO允许使用外部电容来对基准电压进行滤波。事实上，许多所谓的超低噪声LDO都需要使用外部降噪电容来实现其低噪声性能。对基准电压进行外部滤波的缺点是启动时间与滤波电容的大小成比例，图3说明了为什么会如此。连接100 pF电容的节点被引出，以便连接外部电容。

降低误差放大器的噪声增益对启动时间的影响不如对基准电压进行滤波那样大，因而更容易在启动时间与输出噪声之间权衡选择。遗憾的是，对于固定输出LDO,由于无法接入反馈节点，输出噪声一般无法降低。然而，在大多数可调输出LDO中，很容易接入反馈节点。

如果误差放大器的噪声贡献大于基准电压源的贡献，则降低误差放大器的噪声增益可以显着降低LDO的总噪声。确定误差放大器是否是主要噪声来源的一种方法，就是比较特定LDO的固定输出版本与可调输出版本的噪声。如果固定输出LDO的噪声远低于可调输出LDO,则误差放大器是主要噪声源。

图5所示为一个2.5 V输出可调LDO,R1、R2、R3和C1为外部元件。所选的R3用于将放大器的高频增益设置为1.5倍至2倍。某些LDO的相位裕量较低，或者在单位增益下不稳定。所选的C1用于将降噪网络(C1、R1和R3)的低频零点设置在10 Hz至100 Hz范围内，确保1/f区中的噪声得到充分降低。

图5. 降低可调输出LDO的噪声增益

图6显示了降噪(NR)网络对高压可调LDO噪声谱密度的影响。从图6可以看出，在20 Hz至2 kHz范围，噪声性能提高大约3倍(~10 dB)。注意，两条曲线在20 kHz以上融合，这是因为误差放大器的闭环增益达到放大器的开环特性，无法进一步降低噪声增益。

在同一频率范围内，PSRR性能也有改善(更多信息参见"改善PSRR"部分)。

图6. 可调输出LDO的噪声谱密度

LDO数据手册中的噪声规格

通常，LDO数据手册通过两种方式来规定内部噪声：

● 一定带宽内的总积分噪声，用V rms表示(见图7)

●噪声谱密度曲线，噪声与频率的关系用V/Hz表示(见图6)ADI公司数据手册规定10 Hz至100 kHz带宽内的总积分噪声。图7显示了10 Hz至100 kHz带宽内ADP223在不同输出电压下的总均方根噪声与负载电流的关系。

通常而言，轻负载下的均方根噪声较低，因为LDO的带宽随着静态电流而降低。当负载电流达到数mA时，LDO以全带宽工作，噪声不随负载而变化。

图7. 均方根噪声与负载电流和输出电压的关系(ADP223)

图8所示为ADP223的噪声谱密度图，它显示了10 Hz至100 kHz频率范围内噪声谱密度随输出电压的变化情况。

在该带宽内对此图中的数据进行积分可得到均方根噪声。

对于任意频率范围，可以使用以下公式来估算均方根噪声：

其中：

BW = NFU -NFL

NFL为频率下限时的噪声(单位μV/√Hz)。

NFU为频率上限时的噪声(单位μV/√Hz)。

例如，对于图8中的1.2 V输出，10 Hz至100 Hz范围内的均方根噪声约为：

噪声谱密度测量在足够高的负载电流下进行，确保LDO以全带宽工作，但又不能过高，以至于引起严重的自热效应。对于最大输出电流为1 A或以下的大多数LDO,10 mA较为适当。

图8. 噪声谱密度与输出电压的关系(ADP223)