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2019年01月02日 | 技术知识大科普——LDO基础知识：噪声
2019-01-02
在一篇LDO基础知识博文中，我讨论了使用低压差稳压器(LDO)过滤因开关模式电源导致的纹波电压。然而，这不是获得净化直流电源唯一要考虑的事情。因为LDO是电子设备，它们自身也会生成一定数量的噪声。选择使用低噪声LDO和采取步骤减少内部噪声，都可以在不损害系统性能的同时形成净化电源轨的不可分割的措施。
识别噪声
理想的LDO具备没有交流元件的电压轨。但缺点在于LDO会和其他电子设备一样生成本体噪声。图 1 显示了这种噪声在时间域中的表现。
图 1：有噪声电源的输出噪声快照
在时间域中进行分析是困难的。因此，有两个主要方法来检验噪声：跨越整个频谱，和作为综合值。
您可以使用频谱分析工具来识别LDO输出线路中的各种交流元件。（应用报告，“如何测量LDO噪声,”介绍了丰富的噪声测量知识。) 图 2 绘制了1A低噪声LDO TPS7A91的输出噪声。
图 2：TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和VOUT
如您从各种曲线看到的那样，输出噪声（以每平方根赫兹[μV/ Hz]来表示）集中在频谱低端。该噪声大部分出自内部参考电压，以及误差放大器FET和电阻分压器。
分析跨越整个频谱的输出噪声，能帮助我们确定感兴趣噪声范围的噪声曲线。例如，音响应用设计师很关注人耳可闻频率（20Hz到20kHz），而电源噪声可能使声音品质下降。
在进行苹果设备之间的比较时，数据表通常提供的是单一、综合噪声值。输出噪声一般是综合10Hz到100kHz的噪声，用微伏均方根(μVRMS)表示。（各厂商还将综合来自100Hz到100kHz的噪声，或者综合来自自定义频率范围的噪声。基于所选频率范围进行综合，有助屏蔽不讨人喜欢的噪音属性，因此，检查除综合值外的噪声曲线很重要。）图 2 显示了对应各曲线的综合噪声值。德州仪器供应的LDO系列综合噪声值低至3.8μVRMS。
降噪
除选择低噪声质量的LDO外，您还可以采用几种技术来确保您的LDO具有最低噪声特性。这些技术包括使用降噪和前馈电容器。我将在下一篇博文中探讨使用前馈电容器。
降噪电容器
TI的许多低噪声LDO系列都具有专门用作“NR/SS”的专用引脚，如图 3 所示。
图 3：具有NR/SS引脚的NMOS LDO
该引脚的功能有两个：它用于过滤来自内部参考电压的噪声，及降低启动过程中的压摆率或启用LDO。
为该引脚添加一个电容器(CNR/SS)，就可以形成具有内部电阻的RC滤波器，有助于把由参考电压生成的无用噪声分流。由于参考电压是噪声的主要来源，增加电容可推送左侧低通滤波器的截止频率。图 4 显示了该电容器对输出噪声的作用结果。
图 4：TPS7A91噪声频谱密度 vs. 频率和CNR/SS
如图 4 所示，更高的CNR/SS值会产生更理想的噪声值。当达到某个点后，再增加电容值也不再能够降低噪声。其余噪声来自误差放大器和FET等。
增加电容器还在启动期间形成了电阻电容延迟，这将使输出电压以较低速率上升。当输出或负荷中出现了大容量电容，有益的做法是降低启动电流。
等式 1 中启动电流等于：
(1)
为降低启动电流，您必须减小输出电容或降低压摆率。幸好，CNR/SS 有助实现后者，如图 5 TPS7A85所示。
图 5：TPS7A85的启动 vs. CNR/SS
如您所见，增加CNR/SS值会延长启动时间，可防止出现尖峰启动电流和潜在可能触发电流值达到极限的情况。
史海拾趣
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