使用超低噪声LDO稳压器提供清洁电源

线性稳压器集成电路（IC）将电压从较高电压降至较低电压，无需电感器。低压差（LDO）线性稳压器是一种特殊类型的线性稳压器，其中压差（维持稳压所需的输入至输出电压之间的差值）通常低于400 mV。早期的线性稳压器设计提供~1.3 V量级的压差，这意味着对于5 V输入，器件保持稳压状态的最大可实现输出仅为~3.7 V。然而，在当今更复杂的设计技术和晶圆制造工艺中，低的近似定义是<100 mV至300 mV左右。

此外，尽管LDO稳压器通常是任何给定系统中成本最低的组件之一，但从成本/效益来看，它通常是最有价值的组件之一。除了输出电压调节之外，LDO稳压器的另一个关键任务是保护昂贵的下游负载免受恶劣环境条件的影响，如电压瞬变、电源噪声、反向电压、电流浪涌等。简而言之，其设计必须坚固耐用，并包含吸收环境中惩罚所需的所有保护功能，同时保护负载。许多低成本LDO线性稳压器没有必要的保护功能，因此失效，往往不仅会损坏稳压器本身，还会损坏下游负载。

LDO稳压器与其他稳压器的比较

低压降压转换和调节可通过多种方法实现。

开关稳压器在很宽的电压范围内以高效率工作，但需要外部元件（如电感器和电容器）才能工作，因此占用的电路板面积相对较大。无电感电荷泵（或开关电容电压转换器）也可用于实现较低的电压转换，并且通常根据转换区域以更高的效率运行，但输出电流能力有限，瞬态性能较差，并且与线性稳压器相比需要更多的外部元件。

当今新一代快速、高电流、低压数字IC，如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC，对为内核和I/O通道供电的电源提出了更严格的要求。传统上，由于电荷泵缺乏必要的输出电流和瞬态响应，因此使用高效的开关稳压器为这些器件供电。然而，开关稳压器存在潜在的噪声干扰问题，有时它们的瞬态响应较慢，布局受限。

因此，LDO稳压器是这些应用以及其他低压系统中的替代方案。得益于最近的产品创新和功能增强，LDO稳压器提供了一些性能优势，使其更受欢迎。

此外，当涉及到为噪声敏感的模拟/RF应用供电时（常见于测试和测量系统，其中机器或设备的测量精度需要比被测实体高几个数量级），LDO稳压器通常优于开关稳压器。低噪声LDO稳压器为各种模拟/RF设计供电，包括频率合成器（PLL/VCO）、RF混频器和调制器、高速和高分辨率数据转换器以及精密传感器。然而，这些应用已经达到了测试传统低噪声LDO稳压器极限的灵敏度。例如，在许多高端VCO中，电源噪声直接影响VCO输出相位噪声（抖动）。此外，为了满足整体系统效率要求，LDO稳压器通常会对噪声相对较大的开关转换器的输出进行后置调节，因此LDO的高频电源纹波抑制（PSRR）性能变得至关重要。此外，与标准工业开关稳压器相比，LDO稳压器的噪声水平可以从mV （rms）范围降低到个位数μV （rms）范围，从而降低2到3个数量级。

LDO设计挑战

一些IC，如运算放大器和仪表放大器，以及数据转换器，如数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC），被称为双极性，因为它们需要两个输入电源供电：一个正极和一个负极。正电源轨通常由一个正基准电压源供电，或者更好的是，由线性或低压差稳压器供电。传统上，负电源轨由负开关稳压器或逆变器供电。但是，基于电感的开关稳压器很容易将噪声引入系统。随着负稳压器的出现，使用负LDO稳压器为负系统轨供电并利用LDO稳压器的所有功能（无电感器、噪声更低、PSRR更高、瞬态响应快、防弹保护）变得非常有利。较老式LDO稳压器的PSRR和噪声性能要差得多，虽然它们仍可用于创建这些类型的静音电源，但将系统组装在一起需要大量额外的元件、电路板空间和设计时间。这些额外的组件也会根据其特性（寄生电阻等）对功率预算产生不利影响。

对于使用运算放大器、ADC或其他信号链元件的客户来说，还有另一个困难的系统性能特征：这些IC不具有无限的电源抑制能力，更糟糕的是，在高频下，电源抑制能力可能明显降低。过去，这意味着在电路板上使用额外的滤波元件，这会增加解决方案尺寸。此外，如果设计人员试图获得更高的精度，如果稳压器电源噪声过大，可能会导致更多麻烦，从而在测量场景中造成不必要的变化。

许多行业标准线性稳压器使用单电源执行低压差操作，但大多数都无法实现极低电压转换与低输出噪声、宽输入/输出电压范围和广泛保护功能的组合。PMOS LDO稳压器可实现压差并采用单电源供电，但在低输入电压下受到调整管VGS特性的限制，并且缺乏高性能稳压器的许多保护功能。基于 NMOS 的器件提供快速瞬态响应，但需要两个电源来偏置器件。NPN 稳压器提供宽输入和输出电压范围，但它们需要两个电源电压或具有更高的压差。相比之下，通过适当的设计架构，PNP 稳压器可以实现低压差、高输入电压、低噪声、高 PSRR 和极低电压转换，并具有防弹保护功能，全部通过单电源轨实现。

为了获得最佳的整体效率，许多高性能模拟和RF电路由LDO稳压器供电，对开关转换器的输出进行后调节。这就要求LDO稳压器两端在低输入至输出差分下具有高PSRR和低输出电压噪声。具有高PSRR的LDO稳压器可轻松滤除和抑制开关稳压器输出端的噪声，而无需笨重的滤波元件。此外，在宽带宽范围内具有低输出电压噪声的器件有利于当今的现代电源轨，其中噪声灵敏度是一个关键考虑因素。高电流下的低输出电压噪声显然是必备的规格。

新型超低噪声、超高PSRR LDO稳压器

很明显，解决本文概述问题的LDO解决方案应具有以下属性：

极低的输出噪声

在很宽的频率范围内具有高 PSRR

低压差操作

单电源供电（易于使用，缓解电源排序挑战）

快速瞬态响应时间

在宽输入/输出电压范围内工作

中等输出电流能力

出色的热性能

占地面积小

为了满足这些特定需求，ADI公司推出了LT304x系列超高PSRR、超低噪声正LDO稳压器。最新成员是互补型LT3094，这是一款超低噪声、超高PSRR低压差500 mA负线性稳压器。该器件是广受欢迎的500 mA LT3045（LT3042用于200 mA）的负极版本。LT3094的独特设计在10 kHz时具有仅2 nV/√Hz的超低点噪声，在10 Hz至100 kHz宽带宽内具有0.85 μV rms积分输出噪声。PSRR 性能非常出色：低频 PSRR 在接近 4 kHz 时超过 100 dB，在接近 2 MHz 的频率下超过 70 dB，从而抑制嘈杂或高纹波输入电源。LT3094 采用一种专有的 LDO 架构：一个精准电流源基准，后接一个高性能单位增益缓冲器，从而实现几乎恒定的带宽、噪声、PSRR 和负载调节性能，而与输出电压无关。此外，这种架构允许多个 LT3094 并联，以进一步降低噪声、增加输出电流并在印刷电路板上散发热量。

LT3094在满负载时提供高达500 mA的输出电流和230 mV压差，输入电压范围为–2 V至–20 V。输出电压范围为 0 V 至 –19.5 V，输出电压容差在整个线路、负载和温度范围内具有 ±2% 的高精度。该器件的宽输入和输出电压范围、高带宽、高 PSRR 和超低噪声性能非常适合为噪声敏感型应用供电，如 PLL、VCO、混频器和 LNA;极低噪声仪器，如测试和测量，以及高速/高精度数据转换器;医疗应用，如成像和诊断，以及精密电源;以及用于开关电源的后置稳压器。

LT3094采用小型低成本10 μF陶瓷输出电容工作，可优化稳定性和瞬态响应。单个电阻器负责设置外部精密电流限值 （±10% 的过热值）。该器件的 VIOC 引脚控制上游稳压器，以最大限度地降低功耗并优化 PSRR。单个SET引脚电容器可降低输出噪声并提供基准软启动功能，从而防止导通时输出电压过冲。此外，该器件的内部保护电路包括带折返的内部电流限制和带迟滞的热限制。其他特性包括快速启动能力（在使用大值SET引脚电容器时非常有用）和电源良好标志（业界首款具有此功能的负LDO稳压器），具有可编程阈值以指示输出电压调节。

图1.LT3094的典型应用原理图和特性。

LT3094 采用耐热性能增强型 12 引脚、3 mm × 3 mm DFN 和 MSOP 封装，均具有紧凑的占板面积。E 级和 I 级版本有现货供应，工作结温为 –40°C 至 +125°C。

LT3094 需要一个输出电容器来实现稳定性。鉴于其高带宽，建议使用低ESR和ESL陶瓷电容器。为了保持稳定性，至少需要10 μF输出电容，ESR低于30 mΩ，ESL低于1.5 nH。鉴于使用单个10 μF陶瓷输出电容可实现高PSRR和低噪声性能，较大的输出电容值仅略微改善性能，因为稳压器带宽会随着输出电容的增加而降低，因此，使用大于最小10 μF的输出电容几乎没有什么好处。尽管如此，较大的输出电容值确实会降低负载瞬变期间的峰值输出偏差。

图2.LT3094 PSRR 性能。

图3.LT3094 输出噪声性能。

并行设备的优势

通过并联多个 LT3094 可获得更高的输出电流。 将所有 SET 引脚连接在一起，将所有 IN 引脚连接在一起。使用 PCB 走线的小片 （用作镇流电阻器） 将 OUT 引脚连接在一起，以均衡 LT3094 中的电流。还可以并联两个以上的 LT3094，以实现更高的输出电流和更低的输出噪声。输出噪声降低与并联器件数量的平方根成正比。并联多个 LT3094 对于在 PCB 上分配热量也很有用。对于具有高输入至输出电压差的应用，也可使用一个输入串联电阻器或与 LT3094 并联的电阻器来散热。并联电路实现方案见图4。

图4.LT3094 并联操作。

表1显示了ADI公司的超高PSRR、超低噪声LDO稳压器系列的成员。

 

部分#	V在范围	V外范围	我外	压差电压	PSRR @ 1 MHz	输出噪声	点噪声	包
负LDO稳压器
LT3094	–2.0 V 至 –20 V	0 V 至 –19.5 V	–500 毫安	300毫伏	75分贝	0.8 μV 有效值	2.2 nV/√Hz	12 引脚 MSOP、3 × 3、12 引脚 DFN
正LDO稳压器
LT3042	1.8 V 至 20 V	0 V 至 –15 V	200毫安	350毫伏	79分贝	0.8 μV 有效值	2.2 nV/√Hz	12 引脚 MSOP、3 × 3、10 引脚 DFN*
LT3045	1.8 V 至 20 V	0 V 至 –15 V	500毫安	260 mV	76分贝	0.8 μV 有效值	2.2 nV/√Hz	12 引脚 MSOP，3 × 33，10 引脚 DFN*
*引脚兼容

 

结论

正200 mALT3042、500 mALT3045以及现在的新型互补型LT3094负500 mA LDO提供了突破性的噪声和PSRR性能。这些特性，加上其宽电压范围、低压差、广泛的保护功能/鲁棒性和易用性，使其成为为测试和测量或医疗成像系统中的噪声敏感双极性正/负电源轨供电的理想选择。凭借其基于电流基准的架构，噪声和PSRR性能与输出电压无关。此外，多个器件可以直接并联，以进一步降低输出噪声，增加输出电流并在PCB上传播热量。LT3042、LT3045 和 LT3094 节省了时间和成本，同时改善了应用性能。

审核编辑：郭婷