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超低噪聲LDO能否提供“干凈”的電源?

發(fā)布時間:2019-03-07 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一,但從成本/效益角度來說,它往往是最有價值的元件之一。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外,LDO穩(wěn)壓器的另一個關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的后端負(fù)載免受惡劣環(huán)境條件的影響,例如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。
 

線性穩(wěn)壓器集成電路(IC)將電壓從較高電平降至較低電平,且無需電感。低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器,其壓差(需要保持穩(wěn)壓的輸入和輸出電壓之間的差值)通常低于400 mV。早期的線性穩(wěn)壓器設(shè)計提供大約1.3 V的壓差,這意味著對于5 V的輸入電壓,器件進(jìn)行調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)的最大輸出僅為3.7 V左右。然而,在當(dāng)今更復(fù)雜的設(shè)計技術(shù)和晶圓制造工藝條件下,“低”大致定義為<100mV到300mV左右。
 
此外,雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一,但從成本/效益角度來說,它往往是最有價值的元件之一。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外,LDO穩(wěn)壓器的另一個關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的后端負(fù)載免受惡劣環(huán)境條件的影響,例如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。簡而言之,其設(shè)計必須堅固耐用,包括所有的保護(hù)功能,以抑制在保護(hù)負(fù)載的同時由環(huán)境帶來的性能影響。許多低成本的LDO線性穩(wěn)壓器因沒有必要的保護(hù)功能而失效,不僅會對穩(wěn)壓器本身造成損害,而且還會損壞后端負(fù)載。
 
LDO穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的比較
 
低壓降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)可以通過各種方法來實(shí)現(xiàn)。
 
開關(guān)穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內(nèi)高效工作,但需要外部元件(如電感和電容)才能工作,因此占用的電路板面積相對較大。無電感電荷泵(或開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器)也可用來實(shí)現(xiàn)更低的電壓轉(zhuǎn)換,并且通常工作效率更高(取決于轉(zhuǎn)換區(qū)域),但輸出電流能力受限,瞬態(tài)性能較差,并且與線性穩(wěn)壓器相比,需要更多的外部元件。
 
新一代高電流、低電壓的快速數(shù)字IC(如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC)對內(nèi)核和I/O通道供電電源提出了更嚴(yán)格的要求。過去,由于電荷泵不能提供足夠的輸出電流和瞬態(tài)響應(yīng),因此這些器件一直采用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器供電。但是,開關(guān)穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問題,有時它們的瞬態(tài)響應(yīng)較慢,并且布局受限。
 
因此,在這些應(yīng)用以及其他低壓系統(tǒng)中,可采用LDO穩(wěn)壓器代替。得益于近來的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng),LDO穩(wěn)壓器具有更受歡迎的一些性能優(yōu)勢。
 
此外,當(dāng)涉及對噪聲敏感的模擬/射頻應(yīng)用(常見于測試和測量系統(tǒng)中,其機(jī)器或設(shè)備的測量精度需要比被測實(shí)體高幾個數(shù)量級)時,相對于開關(guān)穩(wěn)壓器,LDO穩(wěn)壓器通常是首選。低噪聲LDO穩(wěn)壓器為各種模擬/射頻設(shè)計供電,包括頻率合成器(PLL/VCO)、射頻混頻器和調(diào)制器、高分辨率的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及精密傳感器。然而,這些應(yīng)用的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器的測試極限。例如,在許多高端VCO中,電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲(抖動)。此外,為了滿足整體系統(tǒng)效率的要求,LDO穩(wěn)壓器通常用于對噪聲相對較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級調(diào)節(jié),因此LDO的高頻電源紋波抑制(PSRR)性能變得至關(guān)重要。再者,與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)穩(wěn)壓器相比,LDO穩(wěn)壓器的噪聲水平可降低兩到三個數(shù)量級,從mV (rms)范圍降至幾個μV (rms)范圍。
 
LDO設(shè)計挑戰(zhàn)
 
一些集成電路,如運(yùn)算放大器、儀表放大器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)),均稱為雙極性,因為它們需要兩個輸入電源供電:一個正電源和一個負(fù)電源。正供電軌通常由正基準(zhǔn)電壓供電,或者是由更好的線性或低壓差穩(wěn)壓器供電。負(fù)供電軌傳統(tǒng)上由負(fù)開關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電。但是,基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng)。隨著負(fù)輸出穩(wěn)壓器的出現(xiàn),負(fù)輸出LDO穩(wěn)壓器用于負(fù)系統(tǒng)軌供電更具優(yōu)勢,它可以充分利用LDO穩(wěn)壓器的所有特性(無電感、低噪聲、更高PSRR、快速瞬態(tài)響應(yīng)和多重保護(hù))。較舊的老式LDO穩(wěn)壓器PSRR和噪聲性能要差很多,雖然仍然可以使用它們創(chuàng)建這類低噪聲電源,但卻需要大量額外的元件、電路板空間,并花費(fèi)大量的設(shè)計時間才能將系統(tǒng)整合在一起。這些額外的元件也會 依其特性(如寄生電阻等)對功率預(yù)算產(chǎn)生負(fù)面影響。
 
客戶使用運(yùn)算放大器、ADC或其他信號鏈元件還將面臨另一個系統(tǒng)性能的難題:這些IC的電源抑制能力有限,更糟糕的是,高頻時的電源抑制能力可能會顯著降低。在過去,這意味著需要在電路板上使用額外的濾波元件,但這會增加解決方案的尺寸。此外,如果設(shè)計人員試圖獲得更高的精度,一旦穩(wěn)壓器電源噪聲過高,則可能產(chǎn)生更多麻煩,這會導(dǎo)致測量場景出現(xiàn)不希望的變化。
 
許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器采用單電壓供電執(zhí)行低壓差工作,但大多數(shù)無法同時實(shí)現(xiàn)低輸出噪聲,極低電壓轉(zhuǎn)換、寬范圍輸入/輸出電壓以及廣泛的保護(hù)功能。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)壓降并在單電源下運(yùn)行,但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管VGS特性的限制,并且它們不具備高性能穩(wěn)壓器所提供的許多保護(hù)功能?;贜MOS的器件可提供快速瞬態(tài)響應(yīng),但它們需要兩個偏置電源為器件供電。NPN穩(wěn)壓器可提供寬輸入和輸出電壓范圍,但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下,通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計架構(gòu),PNP穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高PSRR以及極低的電壓轉(zhuǎn)換,具有多重保護(hù)功能,并且只需單電源軌。
 
為了獲得最佳的整體效率,許多高性能模擬和射頻電路采用LDO穩(wěn)壓器對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級調(diào)節(jié)來供電。這需要在LDO穩(wěn)壓器在輸入至輸出電壓差很小時具有高PSRR和低輸出電壓噪聲。具有高PSRR的LDO穩(wěn)壓器可以輕松過濾和抑制來自開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出噪聲,而無需體積龐大的濾波元件。此外,器件在寬帶寬范圍內(nèi)的低輸出電壓噪聲對當(dāng)今的供電軌很有好處,因為噪聲靈敏度是其中的關(guān)鍵考慮因素。高電流時的低輸出電壓噪聲顯然是必備規(guī)格要求。
 
新型超低噪聲、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器
 
顯然,能夠解決本文所述問題的LDO解決方案應(yīng)具有以下特性:
 
?極低輸出噪聲
? 寬頻率范圍內(nèi)的高PSRR
?低壓差工作
?單電源工作(易于使用,輕松應(yīng)對電源時序難題)
? 快速瞬態(tài)響應(yīng)時間
? 在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作
?適中的輸出電流能力
?出色的散熱性能
?緊湊的尺寸
 
針對這些特定需求,ADI公司推出了超高PSRR、超低噪聲正輸出LDO穩(wěn)壓器LT304x系列。最新成員是一款超低噪聲、超高PSRR的500 mA低壓差負(fù)線性穩(wěn)壓器LT3094。該器件是常用的500 mA LT3045(LT3042 為200 mA)的負(fù)輸出版本。LT3094的獨(dú)特設(shè)計使其在10 kHz時具有僅2 nV/√Hz的超低點(diǎn)噪聲,在10 Hz至100 kHz寬帶寬范圍內(nèi)具有0.85μV rms的集成輸出噪聲。其PSRR性能非常出色:接近4 kHz時的低頻PSRR超過100 dB,2 MHz時的高頻PSRR超過70 dB,可以消除噪聲或高紋波輸入電源。LT3094采用特殊的LDO架構(gòu):精密電流源基準(zhǔn)后面接著高性能的單位增益緩沖器,可實(shí)現(xiàn)幾乎恒定的帶寬、噪聲PSRR和負(fù)載調(diào)整性能,不受輸出電壓影響。此外,該架構(gòu)允許多個LT3094并聯(lián),以進(jìn)一步降低噪聲,增加輸出電流,并可在印刷電路板上散熱。
 
LT3094在滿負(fù)載時以230 mV壓差提供高達(dá)500 mA的輸出電流,可在-2 V至-20 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。輸出電壓范圍為0 V至-19.5 V,輸出電壓誤差精度高,線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的精度為±2%。該器件具有寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高PSRR和超低噪聲性能,非常適合為多種應(yīng)用供電,包括:噪聲敏感應(yīng)用(如PLL、VCO、混頻器和LNA);非常低噪聲的儀器儀表,如測試和測量以及高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器;醫(yī)療應(yīng)用,如成像和診斷以及精密電源;以及用于開關(guān)電源的后級調(diào)節(jié)器。
 
LT3094采用小尺寸、低成本的10μF陶瓷輸出電容工作,可優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。利用單個電阻器可編程外部精密電流限值(±10%過溫)。該器件的VIOC引腳可控制前端穩(wěn)壓器,以最大限度地降低功耗并優(yōu)化PSRR。單個SET引腳電容可降低輸出噪聲,并提供基準(zhǔn)軟啟動功能,防止輸出電壓在開啟時過沖。此外,該器件的內(nèi)部保護(hù)電路還包括具有折返功能的內(nèi)部限流和帶遲滯的熱過載。其他功能包括快速啟動功能(如果使用的SET引腳電容值較大,則非常有用)和電源良好標(biāo)志(業(yè)界首款具有此功能的負(fù)輸出LDO穩(wěn)壓器),具有可編程閾值,用于指示輸出電壓調(diào)節(jié)。
 
LT3094采用耐熱增強(qiáng)型12引腳、3 mm×3 mm DFN和MSOP封裝,尺寸緊湊。E級和I級版本的工作結(jié)溫范圍為-40℃至+125℃,有現(xiàn)貨供應(yīng)。
 
圖1:LT3094的典型應(yīng)用原理圖和特性
 
LT3094需要一個輸出電容才能保持穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬,建議使用低ESR和ESL的陶瓷電容。為達(dá)到穩(wěn)定性,要求輸出電容最小值為10μF,ESR小于30mΩ,ESL小于1.5 nH。由于使用單個10μF陶瓷輸出電容可獲得高PSRR、低噪聲性能,而較大的輸出電容值僅僅略微提高了性能,因為穩(wěn)壓器帶寬隨著輸出電容的增加而降低,因此,使用比最小輸出電容值10μF更大的輸出電容并不會獲得多大的收益。盡管如此,較大的輸出電容值確實(shí)會降低負(fù)載瞬變期間的峰值輸出偏差。
 
器件并聯(lián)的好處
 
并聯(lián)多個LT3094可獲得更高的輸出電流。將所有SET引腳和所有IN引腳并在一起。使用小尺寸的PCB走線(用作鎮(zhèn)流電阻)將OUT引腳連接在一起,以均衡LT3094中的電流。也可以將兩個以上的LT3094進(jìn)行并聯(lián),實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲的降低與并聯(lián)器件數(shù)的平方根成比例。并聯(lián)多個LT3094對于在PCB上散熱也很有用。對于具有高輸入至輸出電壓差的應(yīng)用,也可以使用一個輸入串聯(lián)電阻或與LT3094并聯(lián)的電阻進(jìn)行散熱。圖4所示為并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)方案。
 
圖2:LT3094 PSRR性能
 
圖3:LT3094輸出噪聲性能
 
圖4:LT3094并聯(lián)工作
 
表1所示為ADI的超高PSRR、超低噪聲系列LDO穩(wěn)壓器的產(chǎn)品成員。
 
 
結(jié)論
 
正輸出200 mA LT3042、500 mA LT3045以及現(xiàn)在的新型互補(bǔ)的負(fù)輸出500 mA 的LT3094 LDO具有突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性結(jié)合其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護(hù)功能/魯棒性和易用性,使它們非常適合在測試和測量或醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中為噪聲敏感的雙極正/負(fù)軌供電。借助基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu),它們的噪聲和PSRR性能不受輸出電壓的影響。此外,多個器件可以直接并聯(lián),以進(jìn)一步降低輸出噪聲,增加輸出電流,并可在PCB上散熱。LT3042、LT3045和LT3094可在節(jié)省時間和成本的同時提高應(yīng)用的性能。
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