LDO環(huán)路穩(wěn)定性及其對(duì)射頻頻綜相噪的影響

摘要

相位噪聲是時(shí)鐘、射頻頻綜最為關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一。影響鎖相環(huán)相噪的因素有很多，比如電源、參考源相噪、VCO自身的相噪、環(huán)路濾波器的設(shè)置等。其中，電源引入的低頻噪聲往往對(duì)鎖相環(huán)的近端相噪有著很大的影響。對(duì)于高性能的時(shí)鐘和射頻頻綜產(chǎn)品，為了獲得極低的相噪性能，往往采用低噪聲的LDO供電。然而，采用不同的LDO給頻綜供電，取得的相噪性能往往會(huì)有很大差別，同時(shí)，LDO外圍電路設(shè)計(jì)也會(huì)影響到頻綜的相噪性能。

本文首先簡(jiǎn)要地介紹了LDO的噪聲來(lái)源及環(huán)路穩(wěn)定性對(duì)輸出噪聲的影響；其次，根據(jù)調(diào)頻理論推導(dǎo)出VCO的相位噪聲與LDO的噪聲頻譜密度的理論計(jì)算關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證LDO噪聲對(duì)射頻頻綜輸出相噪的影響，分別采用TPS7A8101和TPS74401 LDO評(píng)估板給TRF3765射頻頻綜評(píng)估板供電，對(duì)比測(cè)試這兩種情況下的TRF3765相噪曲線；同時(shí)，為了驗(yàn)證LDO環(huán)路穩(wěn)定性對(duì)頻綜相噪的影響，針對(duì)TPS7A8101評(píng)估板的參考電路做出部分修改，并對(duì)比測(cè)試了電路修改前后的TRF3765輸出相噪。

1、LDO噪聲來(lái)源及環(huán)路穩(wěn)定性對(duì)輸出噪聲影響

1.1 LDO噪聲來(lái)源

LDO的噪聲分為L(zhǎng)DO內(nèi)部的噪聲和LDO外部的噪聲。LDO內(nèi)部的噪聲來(lái)自于內(nèi)部電路的帶隙基準(zhǔn)源，放大器以及晶體管。LDO外部的噪聲來(lái)自于輸入。在LDO的手冊(cè)中，PSRR是表征LDO抑制外部噪聲的能力，但PSRR高并不代表LDO內(nèi)部噪聲小。LDO的總輸出噪聲才是表征LDO內(nèi)部噪聲抑制的參數(shù)，一般在電氣特性表里用單位？VRMS表示，或者在噪聲頻譜密度圖上表示。

圖2是LDO內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，VN代表等效噪聲源。噪聲源包括帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的噪聲VN （REF），誤差放大器產(chǎn)生的噪聲VN （AMP），F(xiàn)ET產(chǎn)生的噪聲VN （FET）以及反饋電阻產(chǎn)生的噪聲VN （ R1）和VN （ R2）。在大多數(shù)情況下，由于帶隙基準(zhǔn)源電路是由很多不同的電阻、晶體管和電容組成，它所產(chǎn)生的噪聲會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。而且?guī)痘鶞?zhǔn)源是誤差放大器的輸入，它所產(chǎn)生的噪聲也會(huì)經(jīng)由誤差放大器放大來(lái)控制FET，所以誤差放大器本身以及FET所產(chǎn)生的噪聲也會(huì)比帶隙基準(zhǔn)源的噪聲要低?？梢哉f(shuō)，LDO內(nèi)部最大的噪聲源就是帶隙基準(zhǔn)源。我們把LDO輸出噪聲VN （OUT）表示為

VN （ Other）是VN （ AMP）以及VN （FET）的和。由公式1可以得出，輸出噪聲最小值出現(xiàn)在R1短接到FB，誤差放大器的增益近似為1的時(shí)候。

1.2 LDO噪聲抑制方法

為了抑制帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的噪聲，有三種辦法。

一是降低誤差放大器的帶寬，抑制了帶隙基準(zhǔn)源的高頻噪聲。但是降低帶寬會(huì)使LDO的動(dòng)態(tài)性能降低。

二是在帶隙基準(zhǔn)源和誤差放大器之間加低通濾波。高性能的LDO都會(huì)有一個(gè)噪聲抑制NR管腳，CNR并聯(lián)在帶隙基準(zhǔn)源和GND之間，起到低通濾波的作用。如圖3所示。

三是在反饋電阻R1上增加前饋電容CFF.在增加了CFF和CNR后，輸出噪聲可以表示為

從式2可以得出，CFF越大，輸出噪聲就越小。頻率越高，輸出噪聲越小。

圖4是不同CFF下的噪聲頻譜密度圖?？梢钥闯觯珻FF越大，噪聲從低頻開始都能被很好的抑制。CFF太小的時(shí)候，抑制噪聲的作用就不太明顯。當(dāng)頻率很高的時(shí)候，不管用多大的CFF，噪聲頻譜密度相差不會(huì)太大。所以，增加合適的前饋電容CFF，對(duì)改善LDO低頻噪聲有非常好的效果。

1.3 LDO環(huán)路穩(wěn)定性與輸出噪聲的關(guān)系

從LDO的小信號(hào)分析可以看出，LDO有兩個(gè)低頻極點(diǎn)，如果沒(méi)有合適的零點(diǎn)補(bǔ)償，LDO的穩(wěn)定裕度不夠，就有可能產(chǎn)生震蕩。穩(wěn)定裕度不夠的LDO產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲會(huì)更大。上節(jié)中提到第三種噪聲抑制方法，即增加前饋電容CFF是實(shí)際上為了改善系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。由CFF與R1組成一個(gè)低頻零點(diǎn)，。
由下圖的頻率響應(yīng)可以看出，零點(diǎn)是相位裕度有了很大的提升，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而減小了系統(tǒng)低頻噪聲。

2、LDO噪聲與VCO輸出相噪的關(guān)系

電源引入噪聲對(duì)鎖相環(huán)中各個(gè)有源器件都可能造成影響，其中最為敏感的部分是VCO，本文將著重討論LDO輸出噪聲對(duì)VCO相噪的影響。

一個(gè)典型的LDO供電的頻綜系統(tǒng)框圖如圖7所示：加載在電源上的噪聲信號(hào)通過(guò)頻率調(diào)制過(guò)程調(diào)制到VCO的輸出，造成VCO輸出相噪惡化。