低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲測試研究*

林卓逸，王小強，吳朝暉，李 斌，羅 軍，余永濤*

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.華南理工大學(xué)電信與信息學(xué)院，廣東廣州 510641)

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)作為一種穩(wěn)壓電源模塊，具有輸出紋波小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單等特點，同時外接元件少，應(yīng)用電路簡單，一般只需要一兩個輸出電容及旁路電容，在高精度ADC、便攜式電子產(chǎn)品、射頻通信等電子設(shè)備的電源供應(yīng)方面有重要應(yīng)用。作為前端的電源輸出穩(wěn)壓和電源供電輸出的關(guān)鍵器件，低壓差線性穩(wěn)壓器的噪聲特性是制約高性能電子系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要因素。穩(wěn)壓器自身產(chǎn)生的噪聲將直接轉(zhuǎn)換成負載電路的電源噪聲，對負載電路產(chǎn)生干擾，限制電路能夠處理的最小信號電平。低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲測試較為復(fù)雜、影響因素多，隨著低噪聲電源技術(shù)的發(fā)展，如何準(zhǔn)確測試表征器件的噪聲特性，成為行業(yè)關(guān)注的熱點[1-5]。

目前國內(nèi)外針對穩(wěn)壓器噪聲測試方法流程、測試方法改進、降低系統(tǒng)噪聲等開展了較多研究，但對影響器件噪聲的輸出負載、輸出電容等缺乏研究。文獻[1]GB/T 4377—2018 描述了噪聲電壓測試的基本條件和程序，可以為噪聲測試提供通用的指導(dǎo)；在GB/T4377 的基礎(chǔ)上，文獻[2]研究了超低噪聲穩(wěn)壓器的噪聲測試方法，測試平臺包括濾波網(wǎng)絡(luò)、放大網(wǎng)絡(luò)、屏蔽外殼等；文獻[3]提出了一種采用電池供電的測試方法，通過降低測試系統(tǒng)噪聲而提高噪聲測試的精度。同時，文獻[3]認為輸出負載、輸出電容對穩(wěn)壓器輸出噪聲的影響不大，而根據(jù)文獻[4-5]，不同負載條件下測試的器件噪聲存在差異。另外，國外AD、TI 等主流廠商在產(chǎn)品手冊中會給出不同負載、電容條件下的噪聲測試結(jié)果，用以反映器件的噪聲性能[6-7]。因此研究分析輸出負載、輸出電容對低壓差線性穩(wěn)壓器噪聲的影響，對準(zhǔn)確測試表征器件噪聲特性具有重要意義。

本工作分析了線性穩(wěn)壓器輸出噪聲產(chǎn)生機理和及其與輸出負載、輸出電容的相關(guān)性，進而在寬范圍輸出負載、輸出電容的條件下測試了低壓差線性穩(wěn)壓器件的噪聲特性，系統(tǒng)分析了輸出負載、輸出電容對器件噪聲特性的影響。測試方法和測試結(jié)果可以為開展線性穩(wěn)壓器噪聲特性測試表征和器件低噪聲應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 LDO 電路噪聲分析

低壓差線性穩(wěn)壓器基本結(jié)構(gòu)主要包括:基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、PMOS(調(diào)整管)、采樣反饋電路。如圖1 所示，在基本結(jié)構(gòu)之外，低壓差線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路分析還需要考慮輸出誤差放大器的輸出端有電阻Rpar與寄生電容Cpar，PMOS 電阻ron與電容Cgd，外接輸出電容CL的等效串聯(lián)電阻RESR(Equivalent Series Resistance，ESR)。

圖1 LDO 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了測試表征LDO 的噪聲特性，一般將器件各內(nèi)部模塊產(chǎn)生的噪聲等效到輸出端:先將內(nèi)部各模塊產(chǎn)生的噪聲等效到誤差放大器的差分輸入端，再根據(jù)噪聲功率疊加原理，將誤差放大器的等效輸入噪聲乘以閉環(huán)增益后等效到器件輸出端。

根據(jù)LDO 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其噪聲主要來源包括基準(zhǔn)電壓源噪聲、誤差放大器自身噪聲、采樣反饋電路噪聲和調(diào)整管噪聲。LDO 內(nèi)部噪聲主要組成為熱噪聲、閃爍噪聲。熱噪聲由導(dǎo)體中載流子隨機熱運動產(chǎn)生，與溫度密切相關(guān)。與器件內(nèi)部晶體管的噪聲相比，電阻噪聲較小，因而由電阻構(gòu)成采樣反饋電路的噪聲可以忽略。閃爍噪聲又稱1/f 噪聲，其與器件尺寸成反比，因此尺寸較大的調(diào)整管噪聲可以忽略[8]。基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器由大量晶體管組成，成為LDO 的主要噪聲源，器件輸出的噪聲VN(OUT)可以表示為[8]:

式中:Ac為誤差放大器閉環(huán)增益，VN(AMP)為誤差放大器自身噪聲、VN(REF)為帶隙基準(zhǔn)源噪聲。

LDO 以誤差放大器為關(guān)鍵組成的負反饋環(huán)路[9]，其輸出噪聲含有不同頻率的成分，會受到放大器環(huán)路增益與帶寬影響。放大器環(huán)路的閉環(huán)增益、帶寬等工作狀態(tài)可以用傳輸函數(shù)來表示，含零點的雙極點系統(tǒng)的開環(huán)傳輸函數(shù)Av可以表達為[10]:

式中:ωp1為主極點頻率，ωp2為次極點頻率，ωz為零點頻率。A0為開環(huán)增益。

設(shè)F為反饋系數(shù)，由開環(huán)傳輸函數(shù)Av(s)可以得到閉環(huán)傳輸函數(shù):

把式(2)代入式(3)中，系統(tǒng)的閉環(huán)傳輸函數(shù)表達為:

對于圖1 中的LDO，考慮LDO 輸出端的負載極點為主極點，誤差放大器輸出端的極點為次極點[11]。還有輸出電容的ESR 補償零點。在LDO 輸出端，此極點的等效電容以CL表示，得到負載極點為:

負載極點頻率取決于負載電阻與負載電容。通常為低頻極點。

誤差放大器的輸出端(PMOS 柵極)，誤差放大器的高輸出阻抗帶來了一個低頻極點，下文稱其為內(nèi)部極點，可表示為:

考慮到負載電容的等效串聯(lián)電阻RESR，還會帶來一個低頻的零點:

根據(jù)以上分析，對于構(gòu)成負反饋回路的LDO，輸出負載電阻、輸出電容與系統(tǒng)極點頻率具有負相關(guān)關(guān)系，而極點頻率決定了放大器系統(tǒng)增益和帶寬，進而影響LDO 的輸出噪聲。

2 測試方法與條件

按照LDO 噪聲測試原理，LDO 輸出噪聲測試偏置電路如圖2 所示，低噪聲電壓源為被測器件提供直流輸入電壓激勵，保證LDO 保持在所需要的工作狀態(tài)，RL為負載電阻，CL為輸出電容，器件輸出的噪聲電壓信號接入到低噪放大器進行放大，然后輸入到頻譜分析設(shè)備，測試得到輸出電壓噪聲帶寬內(nèi)頻譜密度曲線，通過在一段頻率范圍內(nèi)積分計算得到輸出噪聲電壓。

圖2 測試電路

本工作選取的低壓差線性穩(wěn)壓器為電壓正輸出穩(wěn)壓器件，低壓差典型值為100 mV，輸入電壓最大為18 V，輸出電壓為3.0 V。本工作采用集成一體化噪聲測試分析系統(tǒng)，直流輸入電壓可調(diào)，單位帶寬的噪聲測試靈敏度

為了研究輸出負載、輸出電容對穩(wěn)壓器件噪聲特性的影響，本工作在穩(wěn)壓器典型工作狀態(tài)下，選取了寬范圍的輸出負載、輸出電容條件:

輸出負載:220 Ω～330 kΩ，對應(yīng)的器件輸出電流:0.02 mA～14 mA；

輸出電容:1 μF～330 μF。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 不同輸出負載條件下的噪聲測試結(jié)果及分析

低壓差線性穩(wěn)壓器在不同輸出負載電流條件下典型的輸出噪聲電壓功率譜密度曲線如圖3 所示，以輸出電流0.02 mA 為例，在1 Hz～100 Hz 范圍內(nèi)，輸出噪聲電壓功率譜密度隨頻率增加而減小；在100 Hz 至300 Hz 范圍內(nèi)，輸出噪聲電壓功率譜密度出現(xiàn)拐點，先增大后減小，在250 Hz 左右達到峰值；在300 Hz～8 kHz 范圍內(nèi)，輸出噪聲電壓功率譜密度減小至基本不變；頻率大于8 kHz，輸出噪聲電壓功率譜密度基本不變。不同輸出負載電流下的低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲電壓功率譜密度曲線趨勢相似，且隨著負載電流增加，輸出噪聲電壓功率譜密度曲線拐點右移，拐點頻率ωn增加，如圖4 所示。

圖3 不同負載電流下的噪聲頻譜圖

圖4 拐點頻率隨輸出電流的變化關(guān)系

現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)重點關(guān)注頻率在10 Hz 以上，且在本測試中，低壓差線性穩(wěn)壓器輸出噪聲電壓功率譜密度在大于50 kHz 后基本不變，且幅度較低頻時降低了7 個量級，因此重點研究(10 Hz～50 kHz)頻段范圍內(nèi)輸出噪聲電壓有效值與負載電流的相關(guān)性，從圖5 可以看到:而隨著輸出負載電流增大，10 Hz～50 kHz 頻段的輸出噪聲電壓逐步從50 μV 增加至90 μV，增大了近80%。

圖5 輸出噪聲電壓隨負載電流變化關(guān)系

根據(jù)LDO 的電路噪聲分析，LDO 視作有零點的二階系統(tǒng)。此時零點頻率不變，環(huán)路帶寬由兩極點頻率決定。由式(5)、式(6)，不難得到:

即極點頻率與負載電阻成反比:隨著負載電流增加，負載極點ωp1頻率變大，環(huán)路帶寬增加[10]，拐點頻率增加。隨著帶寬的增加，頻率較高的噪聲便可以經(jīng)由環(huán)路放大至輸出端，輸出噪聲電壓也正如圖4 中所示，逐步增加。

總的來說，負載電流(電阻)改變了主極點的位置，進而影響到環(huán)路響應(yīng)與帶寬。低頻噪聲不受影響，但噪聲電壓會隨負載電流增加而逐步增加，進而穩(wěn)定。

3.2 不同輸出電容條件下的噪聲測試結(jié)果及分析

低壓差線性穩(wěn)壓器在不同輸出電容條件下典型的輸出噪聲電壓功率譜密度曲線如圖6 所示，其變化規(guī)律基本一致:隨著頻率的增大，器件輸出噪聲電壓功率譜密度先減小，然后增大并在達到拐點峰值后快速減小，最后基本不變。隨著輸出電容增大，器件輸出噪聲電壓功率譜密度曲線拐點向左移動，頻率從8 500 Hz 下降至400 Hz 左右，如圖7 所示。

圖6 不同輸出電容下的噪聲頻譜圖

圖7 拐點頻率與負載電容關(guān)系圖

根據(jù)圖8，隨著輸出電容增大，器件輸出噪聲電壓有效值逐步從90 μV 減小到50 μV。在不同負載電容情況下，輸出噪聲有效值最大相差80%。

圖8 噪聲電壓與輸出電容關(guān)系圖

負載電容對環(huán)路的影響與負載電阻類似。同樣由式(8)中可得:

負載電容增大時，負載極點ωp1的頻率下降，ωn頻率變小，環(huán)路帶寬變窄，噪聲電壓自然下降。

負載電容改變了環(huán)路的零點頻率。負載電容的容值與其ESR 的阻值成反比，結(jié)合式(7)，可知ESR帶來的零點隨著電容增加，零點的頻率先減小后再增加。也因此如圖3、圖6 所示，兩種變量下得到的噪聲頻譜圖有所不同。

4 總結(jié)

本工作在寬范圍的輸出負載、輸出電容的條件下測試了低壓差線性穩(wěn)壓器件的噪聲特性，并對輸出噪聲與輸出負載、輸出電容的相關(guān)性進行了分析，結(jié)果表明:

①輸出負載、輸出電容是影響低壓差線性穩(wěn)壓器件輸出噪聲特性的重要因素，不同輸出負載和輸出電容條件下，LDO 的輸出噪聲存在顯著差異。

②隨著頻率的增大，穩(wěn)壓器件輸出噪聲電壓功率譜密度先減小，然后增大并在達到拐點峰值后快速減小，最后基本不變。

③隨著輸出電流的增大或輸出電容減小，輸出噪聲電壓功率譜密度曲線拐點右移，頻率增加，輸出噪聲電壓增大。

④輸出負載、輸出電容影響LDO 輸出噪聲特性在于輸出電阻或輸出電容的改變，會直接影響LDO環(huán)路系統(tǒng)的主極點頻率，進而影響環(huán)路增益和帶寬，最終導(dǎo)致器件輸出噪聲的變化。