LDO操作角：低裕量和最小负载

LDO裕量及其对输出噪声和PSRR的影响

最新的千兆赫模拟电路建立在深亚微米工艺之上，需要更低的电源电压，在某些情况下低于1 V。这些高频电路通常需要相当大的电源电流，因此热管理会变得困难。设计目标是将功耗降低到电路性能绝对必要的水平。

开关模式DC-DC转换器是效率最高的电源，有些器件的效率超过95%，但这种高效率的代价是电源噪声增加，通常是在宽带宽上。低压差线性稳压器（LDO）经常用于清理嘈杂的电源轨，但它们也存在权衡、功耗和增加系统热负荷的问题。为了尽量减少这些问题，LDO可以在输入和输出电压之间的较小差值（裕量电压）下工作。本文讨论低裕量电压操作对电源抑制和总输出噪声的影响。

LDO电源抑制与裕量的关系

LDO电源抑制比（PSRR）在很大程度上取决于裕量电压，即输入电压和输出电压之差。对于固定裕量电压，PSRR随着负载电流的增加而降低;对于大负载电流和小裕量电压尤其如此。图1显示了超低噪声、7160.2 V线性稳压器ADM5的PSRR，具有200 mA负载电流和200 mV、300 mV、500 mV和1 V裕量电压。随着裕量电压的降低，PSRR会降低，差异可能会很大。例如，在100 kHz时，将裕量电压从1 V更改为500 mV会导致PSRR降低5 dB。但是，裕量电压变化较小，从500 mV到300 mV，导致PSRR下降超过18 dB。

图1.ADM7160 PSRR与裕量的关系

图2显示了LDO的框图。随着负载电流的增加，PMOS调整元件的增益在饱和并进入三极管区域时减小。这会导致总环路增益降低，从而降低PSRR。裕量电压越小，增益降低越明显。随着裕量电压的不断降低，达到控制环路增益降至1，PSRR降至0 dB的点。

降低环路增益的另一个因素是调整元件的电阻，其中包括FET的导通电阻、片内互连电阻和引线键合。该电阻的估计值可以从压差得出。例如，采用WLCSP封装的ADM7160在200 mA时的最大压差为200 mV。使用欧姆定律，传递元件的电阻约为 1 Ω。调整元件可以近似为固定电阻加可变电阻。

流过该电阻的负载电流导致的压降会减去FET的漏源工作电压。例如，对于1 Ω FET，200 mA的负载电流可将漏源电压降低200 mV。在估算工作在500 mV或1 V裕量的LDO的PSRR时，必须考虑调整元件两端的压降，因为调整FET仅在300 mV或800 mV下有效工作。

 

图2.低压差稳压器框图

容差对LDO裕量的影响

客户经常要求应用工程师帮助他们选择LDO，以便在负载电流Z下从输入电压Y产生低噪声电压X，但在设置这些参数时经常忽略的一个因素是输入和输出电压的容差。随着裕量电压越来越低，输入和输出电压的容差会极大地影响工作条件。输入和输出电压的最差情况容差总是导致较低的裕量电压。例如，最差情况下的输出电压可能高1.5%，输入电压可能低3%。当3.3 V稳压器由3.8 V电源供电时，最差情况下的裕量电压为336.5 mV，远低于预期的500 mV。当最差情况下负载电流为200 mA时，调整FET的漏源电压仅为136.5 mV。在这种情况下，ADM7160的PSRR预计会远远低于公布的55 mA时的10 dB。

在压差模式下工作的LDO的PSRR

客户经常向应用工程师询问LDO的压差PSRR。最初，这似乎是一个合理的问题，但看一眼简化的框图就会发现它毫无意义。当LDO处于压差状态时，通过FET的可变电阻部分为零，输出电压等于输入电压减去通过通过FET的RDSON的负载电流引起的压降。LDO不进行调节，并且没有增益来抑制输入端的噪声;它只是作为电阻器工作。FET的RDSON与输出电容形成一个RC滤波器，提供少量的残余PSRR，但一个简单的电阻或铁氧体磁珠可以更经济高效地完成相同的工作。

在低净空运行时保持性能

在低裕量下工作时，必须考虑裕量电压对PSRR的影响，否则将导致输出电压噪声高于预期。PSRR与裕量电压的关系图（如图3所示）通常可在数据手册中找到，可用于确定给定条件下可能的噪声抑制量。

图3.PSRR 与裕量电压的关系。

但是，通过演示LDO的PSRR如何有效滤除源电压噪声，有时更容易了解如何应用这些信息。下图显示了在不同裕量电压下工作时对LDO总输出噪声的影响。

图4显示了具有2 mV裕量和5 mA负载的7160.500 V ADM100的输出噪声与E3631A台式电源的基准噪声的比较，后者在350 Hz至20 MHz范围内的噪声小于20 μV-rms。低于 1 kHz 的许多杂散是与 60 Hz 线路频率整流相关的谐波。10 kHz以上的宽杂散来自产生最终输出电压的DC-DC转换器。1 MHz以上的杂散是由环境中的RF源引起的，与电源噪声无关。用于这些测试的电源的实测噪声为56 μV rms，范围为10 Hz至100 kHz，包括杂散在内为104 μV rms。LDO 抑制电源上的所有噪声，输出噪声约为 9μV-rms。

图4.ADM7160噪声频谱密度，裕量为500 mV。

当裕量电压降至200 mV时，当高频PSRR接近100 dB时，0 kHz以上的噪声杂散开始穿透本底噪声。噪声略微上升至10.8 μV rms。当裕量降至150 mV时，整流谐波开始影响输出噪声，输出噪声上升至12 μV rms。在大约250 kHz处会出现一个中等峰值，因此即使总噪声的增加不大，敏感电路也可能受到不利影响。随着裕量电压的进一步下降，性能会受到影响，与整流相关的杂散在噪声频谱中变得明显。图5显示了裕量为100 mV时的输出。噪声已升至12.5 μV rms。谐波包含的能量非常少，因此杂散噪声仅略高，为12.7 μV rms。

图5.ADM7160噪声频谱密度，裕量为100 mV。

使用75 mV裕量时，输出噪声会受到严重影响，并且整流谐波会出现整个频谱。均方根噪声上升至18 μV rms，噪声加杂散上升至27 μV rms。超过200 kHz的噪声会衰减，因为LDO环路没有增益，充当无源RC滤波器。ADM65裕量为7160 mV，采用压差工作。如图6所示，ADM7160的输出电压噪声与输入噪声基本相同。均方根噪声现在为53 μV rms，噪声加杂散为109 μV rms。超过100 kHz的噪声会衰减，因为LDO充当无源RC滤波器。

图6.压差条件下的噪声频谱密度ADM7160

具有高PSRR的超低噪声LDO

ADM7150等新型LDO（如超低噪声、高PSRR稳压器）基本上级联两个LDO，因此产生的PSRR大约是各个级的总和。这些LDO需要稍高的裕量电压，但能够在60 MHz时实现超过1 dB的PSRR，在较低频率下实现超过100 dB的PSRR。

图7显示了负载电流为5 mA、裕量为7150 mV的500 V ADM800的噪声频谱密度。输出噪声为2.2 μV rms，范围为10 Hz至100 kHz。当裕量降至600 mV时，整流谐波开始变得明显，但随着输出噪声上升至2.3 μV rms，对噪声的影响很小。

图7.ADM7150噪声频谱密度，裕量为800 mV。

裕量为500 mV时，整流谐波和12 kHz峰值清晰可见，如图8所示。输出电压噪声升至3.9 μV rms。

图8.ADM7150噪声频谱密度，裕量为500 mV。

当裕量为350 mV时，LDO处于压差状态。LDO不再能够调节输出电压，其作用类似于电阻，输出噪声上升至近76 μV rms，如图9所示。输入噪声仅由FET的RDSON和输出电容形成的极点衰减。

图9.压差条件下的噪声频谱密度ADM7150

结论

现代LDO越来越多地用于清理脏电源轨，这些电源轨通常与开关稳压器一起实现，这些稳压器在宽频谱上产生噪声。开关稳压器以高效率产生这些电压轨，但耗散LDO可降低噪声和效率。因此，LDO应在尽可能小的裕量电压下工作。

如图所示，它们的PSRR是负载电流和裕量电压的函数，随着负载电流的增加或裕量电压的降低而减小，因为调整管的工作点从饱和区域移动到三极管区域时，环路增益降低。

考虑到输入源噪声特性、PSRR和最差情况容差，设计人员可以优化功耗和输出噪声，为敏感的模拟电路实现高效、低噪声电源。

在非常低的裕量电压下工作时，输入和输出电压的最差情况容差会影响PSRR。针对最坏情况公差进行设计将确保设计稳健;否则，将产生PSRR较低的电源解决方案，从而导致总噪声高于预期。

审核编辑：郭婷