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揭秘什么是LDO噪声

关键词:低压降(LDO)稳压器 LDO噪声

时间:2022-01-14 15:18:31      来源:网络

稳压器在想要从不稳定或可变的电源中获得稳定电源电压的应用至关重要。这类电源包括逐渐放电式的电池或整流后的交流电压等。而对开关稳压器产生的噪声或残留交流纹波较敏感的应用,包括射频收发器、Wi-Fi 模块和光学图像传感器,采用线性稳压器来可最大限度地减少整个系统的错误和误差。

编者注:在之前的文章中介绍过,对于电源噪声敏感度高的电路中,可以使用LDO。那么LDO真的没有噪声吗?本文转载自Onsemi,介绍了LDO的基本概念以及LDO噪声。

低压降(LDO)稳压器

稳压器在想要从不稳定或可变的电源中获得稳定电源电压的应用至关重要。这类电源包括逐渐放电式的电池或整流后的交流电压等。而对开关稳压器产生的噪声或残留交流纹波较敏感的应用,包括射频收发器、Wi-Fi 模块和光学图像传感器,采用线性稳压器来可最大限度地减少整个系统的错误和误差。

能够在电源输入和输出端之间保持低压差的线性稳压器通常称为低压降(LDO)稳压器。其基本特点是无论输出电流、输入电压、热漂移或工作寿命(老化)如何变化,都能保持恒定的输出电压。这些是理想条件,但现实世界中的情况却有些不同。由于 LDO 输出电压并非绝对稳定,因此主要会影响以下操作功能:

a)由于有限的控制回路速度,负载电流的快速变化会导致输出电压的变化。有时内部调节回路无法对电流的快速变化(由于时间延迟)作出反应,就会导致通常约为几十毫伏(mV)的下冲/过冲。

b)输入电压的快速变化(通常是由 DC-DC 转换器的输出电压纹波引起的)无法通过控制回路完全过滤,于是输入电压的变化会一定程度地反映在输出电压中,该参数称为电源抑制比(PSRR),且通常是频变参数。一些制造商标示的 PSRR 为负数,有些则为正数。一般而言,PSRR 绝对值越高,从输入到输出的传输干扰信号就越少。通常情况下,受到干扰的输入电压会以 mV 或更低的单位级别传输至输出端。相似地,输入电压的快速变化(即“线路瞬态响应”)可发生于 LDO 输出端。

c)半导体结构自身会产生固有的噪声,主要是由自由原子与基础材料晶体结构碰撞而引起。由于固有噪声是一种半导体中与电流传导原理相关的物理现象,因此可以通过一些技术来抑制,但是不可能将其彻底去除。现代 LDO 的输出噪声可以达到数以百计的微伏(uV)甚至更小,但是顶级 LDO 产生的噪声就会达到微伏(uV)单位。

d)其他影响还包括输入电压的一个缓慢变化及其对线路调整率的影响、负载电流的一个缓慢变化及其对负载调整率、导热系数和长期稳定性的影响。

在现实世界中,必须综合考量所有这些影响及其作用,以实现输出电压的稳定和精确。因此,有必要仔细考量上述的情况可能关乎一个特定应用。例如对于需要最佳图像质量的摄像机应用,LDO 对负载电流变化的动态响应就是最为重要的。当噪声值低于100 uVrms 且 PSRR 值为常规水平(高于50 dB)时,对图像质量的影响就微不足道。

什么是LDO噪声呢?

一般来说,噪声分为两类,内部噪声和外部噪声。

其中,内部噪声是不可避免的,每个电子设备都会产生内部噪声。LDO由理想的源供电,这意味着它不受外界影响,因此在输入端没有外部噪声(虽然LDO在输出端确实有内部噪声)。

而外部噪声是由外界影响(输入处的纹波——实际源)产生的各种噪声,输入波纹与电源抑制比(PSRR)有关。

另外,还有如热和闪烁等噪声的不同类别。具体来说,热噪声是由粒子的随机热运动引起的,这种运动称为扩散,热噪声的存在没有外部电压连接。与之不同的是,闪烁噪声是由粒子电流的随机变化引起的,这种运动称为漂移。漂移是由外部电压引起的,这意味着没有外部电压就不可能存在闪烁噪声。

除此之外,噪声也可按频谱划分。我们可以用颜色来识别特定的噪声频谱,例如白色、粉红色、棕色、灰色等。通过颜色识别的第一种噪声是白噪声,它在整个频谱范围内是平滑的。

那么,我们如何测量噪声呢?如前所述,内部噪声是由输入端有理想源的LDO产生的噪声。在实际测量中,这个理想的源可能是电池,它比LDO稳压器具有更低的内部噪声。这种噪声与频率有关,它由一个参数表示,如频谱噪声密度曲线或积分噪声值(在通常为10 Hz至100 kHz的特定频率范围内,输出噪声电压以微伏- uVRMS表示)。

什么是频谱噪声密度?如果您及时测量噪声,您只能看到噪声的绝对振幅值,但不能看到所有噪声属性的频率。正如上面的图片所示,噪声在x10的范围内。频谱噪声密度曲线是所产生的噪声之和,每一噪声都是在窄幅的频率范围内测量的,您可在下面的图片中看到频谱噪声密度。

LDO输出端的噪声也与负载有关。负载消耗电流Iout,该电流值等于电阻 RLOAD。与负载相关的是多个RLOAD和输出电容COUT。较高的RLOAD值或较高的 COUT值意味着与负载相关的曲线部分向较低频率移动。在上面的图片中,您可以看到与IOUT有关;在下面的图片中,您可看到与COUT有关。

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