噪聲敏感的應用要求采用超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器

背景

線性穩(wěn)壓器是無需使用電感器就能實現(xiàn)從較高電壓至較低電壓之降壓的集成電路。低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器，其壓差電壓 (輸入至輸出電壓之間的差異) 必需保持穩(wěn)定，通常低于 400mV。早期的線性穩(wěn)壓器設計提供 ~1.3V 左右的壓差，對于一個 5V 輸入這意味著：為了讓器件處于調節(jié)狀態(tài)，可實現(xiàn)的最大輸出僅為 ~3.7V。最近，“低”壓差被認為是 500mV 或更小。然而，在設計方法和晶圓制造工藝日益精細復雜的今天，“低”壓差通常大約為 100mV ~ 300mV。

此外，雖然 LDO 在任何給定的系統(tǒng)中都很少是最昂貴的系統(tǒng)組件，但如果以成本 / 優(yōu)勢為出發(fā)點，它卻是最有價值的組件之一。LDO 所承擔的一項任務是保護昂貴的下游負載免遭電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等嚴酷環(huán)境條件的損壞。簡而言之，其設計必須堅固，并包含所需的全部保護功能以在其所處之環(huán)境中 “應付損害” 且同時保護負載。許多低成本 LDO 線性穩(wěn)壓器由于不具備必要的保護功能而發(fā)生故障，常常不僅導致穩(wěn)壓器本身受損，還殃及下游負載。

LDO 與其他穩(wěn)壓器的比較

低電壓降壓轉換和調節(jié)可采用多種方法來實現(xiàn)。開關穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內高效地工作，但是其操作需要借助電感器和電容器等外部組件，因而占用的電路板空間相對較大。另外，也可以使用無電感的充電泵 (或開關電容電壓轉換器) 來實現(xiàn)較低電壓轉換，但是其輸出電流能力有限，瞬態(tài)響應性能不佳，而且與線性穩(wěn)壓器相比所需的外部組件較多。

目前的快速、較高電流、低電壓數(shù)字 IC 系列 (例如：FPGA、DSP、CPU、GPU 和 ASIC) 對于向內核和 I/O 通道供電的電源提出了嚴格的要求。傳統(tǒng)上，一直采用高效率的開關穩(wěn)壓器為這些器件供電，但是它們會具有潛在的噪聲干擾問題、以及瞬態(tài)響應和布局上的局限性。因此，LDO 在此類應用及其他低電壓系統(tǒng)中逐漸成為一種替代方案。由于近期的產品創(chuàng)新和功能改善，LDO 擁有了一些使其更合乎用戶需要的性能優(yōu)勢。

再者，當說到向那些對噪聲敏感的模擬 / RF 應用 (例如測試和測量系統(tǒng)中所常見的，在此類系統(tǒng)中機器或設備的測量準確度需要比被測的實體高出幾個數(shù)量級) 供電時，人們通常優(yōu)先選擇 LDO，而不是功能相同的開關穩(wěn)壓器。低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器可為眾多的模擬 / RF 設計供電，包括頻率合成器 (PLL / VCO)、RF 混頻器和調制器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉換器 (ADC 和 DAC) 以及高精度傳感器。然而，這些應用對于靈敏度的要求已經(jīng)開始逐步考驗著傳統(tǒng)低噪聲 LDO 的性能極限。例如，在很多高端 VCO 中，電源噪聲直接影響著 VCO 輸出相位噪聲 (抖動)。而且，為了滿足總體系統(tǒng)效率要求，LDO 通常對噪聲相對較高的開關轉換器之輸出實施后置穩(wěn)壓，因此 LDO 的高頻電源紋波抑制 (PSRR) 性能變得極為重要。

LDO 設計挑戰(zhàn)

許多業(yè)界標準的線性穩(wěn)壓器采用單個電壓電源來執(zhí)行低壓差操作，但是大多數(shù)無法實現(xiàn)非常低電壓轉換與低輸出噪聲、寬范圍輸入 / 輸出電壓和豐富保護功能的組合。PMOS LDO 可實現(xiàn)低壓差并依靠單個電源供電運行，但是由于傳輸晶體管的 Vgs 特性而被限制在低輸入電壓，并且缺乏高性能穩(wěn)壓器所提供的諸多保護功能。NMOS 型器件可提供快速瞬態(tài)響應，但是需要兩個電源以對器件施加偏置。NPN 穩(wěn)壓器可提供寬的輸入和輸出電壓范圍，但是要么需要兩個電源，要么具有較高的壓差。相比之下，利用正確的設計架構，PNP 穩(wěn)壓器能夠實現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高 PSRR 和非常低電壓轉換以及無懈可擊的保護，而所有這些均由單個電源軌提供支持。

為了獲得最佳的總體效率，很多高性能模擬和 RF 電路由負責對開關轉換器的輸出實施后置穩(wěn)壓的 LDO 供電。這需要在 LDO 兩端上具有低的輸入至輸出差分電壓的情況下實現(xiàn)高電源紋波抑制 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲。具有高 PSRR 的 LDO 可容易地濾除和抑制來自開關電源輸出的噪聲，并不需要使用龐大的濾波組件。而且，對于如今把噪聲敏感性作為一項主要考慮因素的新式電源軌而言，在寬的帶寬內具有低輸出電壓噪聲的器件也是有益的。顯然，在大電流時具有低輸出電壓噪聲是一項必要的性能指標。

新型超低噪聲、超高 PSRR LDO 系列

很明顯，可解決這里概述之問題的 LDO 解決方案應具有以下特性：

· 非常低的輸出噪聲

· 低壓差操作

· 在很寬的頻率范圍內具有高 PSRR

· 單電源工作 (旨在實現(xiàn)易用性和緩解電源排序難題)

· 快速瞬態(tài)響應時間

· 可在很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內工作

· 適度的輸出電流能力

· 卓越的熱性能

· 緊湊的占板面積

為了滿足這些特定的需要，凌力爾特推出了超高 PSRR、超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器 LT304x 系列。該系列的最新成員是 LT3045，其為一款超低噪聲、超高 PSRR 低壓差電壓線性穩(wěn)壓器。該器件是先前發(fā)布的 200mA LT3042 超低噪聲 LDO 的較高輸出電流版本。LT3045 的獨特設計具有僅為 2nV/√Hz (在 10kHz) 的超低點噪聲和 0.8µV_RMS 的積分輸出噪聲 (在 10Hz 至 100kHz 的寬帶寬范圍內)。低頻 PSRR 超過 90dB (直到 10kHz)，而高頻 PSRR 則超過 70dB (直到 2.5MHz)，可使噪聲或高紋波輸入電源變得 “安靜”。LT3045 運用了凌力爾特的專有 LDO 架構，即在一個高精度電流源基準之后布設一個高性能單位增益緩沖器，從而可產生幾乎恒定的帶寬、噪聲、PSRR 和負載調節(jié)性能，這與輸出電壓無關。此外，該架構還允許把多個 LT3045 并聯(lián)起來使用，以進一步降低噪聲、增加輸出電流和在電路板上散播熱量以改善熱性能。

LT3045 可在滿負載情況下于一個 1.8V 至 20V 的寬輸入電壓范圍內提供高達 500mA 的輸出電流和一個 260mV 的壓差電壓。輸出電壓范圍為 0V 至 15V，而且輸出電壓容限高度準確，在整個電壓、負載和溫度范圍內為 ±2%。該器件的寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高 PSRR 和超低噪聲性能使其非常適合給那些對噪聲敏感的應用供電，例如：PLL / VCO / 混頻器 / LNA、非常低噪聲儀表、高速 / 高精度數(shù)據(jù)轉換器、醫(yī)療應用 (比如：成像和診斷)、高精度電源，以及用作開關電源的后置穩(wěn)壓器。

LT3045 采用一個小型和低成本的 10µF 陶瓷輸出電容器工作，因而優(yōu)化了穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。單個電阻器負責設置外部精準電流限值 (在整個溫度范圍內為 ±10%)。單個 SET 引腳電容器用于降低輸出噪聲并提供基準軟起動功能，可防止在接通時產生輸出電壓過沖。此外，該器件的內部保護電路還包括反向電池保護、反向電流保護、具折返的內部電流限制和具遲滯的熱限制。其他特點包括快速啟動能力 (適用于采用大數(shù)值 SET 引腳電容器的場合) 和一個具可編程門限的電源良好標記 (用于指示輸出電壓調節(jié))。圖 1 示出了一款典型的應用電路原理圖。

LT3045 采用耐熱性能增強型 10 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝 (引腳與 LT3042 兼容) 和 12 引腳 MSOP 封裝，兩種封裝版本的占板面積都很緊湊。E 級和 I 級版本有現(xiàn)貨供應，工作結溫范圍為 –40°C 至 125°C。

未來的高溫 H 級版本額定工作溫度范圍將為 –40°C 至 150°C。

圖 1：LT3045 典型應用電路原理圖和特點

LT3045 需要采用一個輸出電容器以實現(xiàn)穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，該器件要求使用低 ESR 和 ESL 陶瓷電容器。必需采用一個 ESR 低于 20mΩ 和 ESL 低于 2nH 的 10µF (最小值) 輸出電容以實現(xiàn)穩(wěn)定性?？紤]到采用單個 10µF 陶瓷輸出電容器所獲得的高 PSRR 和低噪聲性能 (見圖 2 和圖 3)，更大數(shù)值的輸出電容器僅能輕微地改善性能，原因是穩(wěn)壓器的帶寬隨著輸出電容的增大而減小，因此，采用大于 10µF (最小值) 的輸出電容器收效甚微。

圖 2：LT3045 的 PSRR 性能

圖 3：LT3045 的輸出噪聲性能

并聯(lián)器件的好處

簡單地把所有的 SET 引腳連接在一起和把所有的 IN 引腳連接在一起即可并聯(lián)多個 LT3045 IC，從而獲得較高的輸出電流。使用一小段 PCB 走線 (用作一個鎮(zhèn)流電阻器) 把 OUT 引腳連接在一起以均衡來自 LT3045 的電流。另外，還可并聯(lián)兩個以上的 LT3045 以提供更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。并聯(lián)多個 LT3045 對于在 PCB 上散播熱量也是有益處的。對于具有高輸入至輸出差分電壓的應用，還可使用一個輸入串聯(lián)電阻器或與 LT3045 并聯(lián)的電阻器以散熱。圖 4 示出了一款并聯(lián)電路實施方案。

圖 4：LT3045 并聯(lián)工作

下面的表 1 羅列了凌力爾特超高 PSRR、超低噪聲 LDO 系列的成員。

表 1：超高 PSRR、超低噪聲 LDO

* DFN 封裝的引腳是兼容的。

結論

LT3042 和 LT3045 突破性的噪聲和 PSRR 性能，再加上其寬電壓范圍、低壓差電壓、堅固性和易用性，使之非常適合為噪聲敏感型應用供電，比如在測試與測量系統(tǒng)中。憑借其基于電流基準的架構，噪聲和 PSRR 性能不會受到輸出電壓的影響。此外，還可以把多個器件直接并聯(lián)起來，以進一步降低輸出噪聲、增加輸出電流和在 PCB 上散播熱量。