LDO 基础知识：噪声 - 前馈电容器如何提高系统性能
在ldo 基础知识：噪声 - 降噪引脚如何提高系统性能一文中，我们讨论了如何使用与基准电压 (cnr/ss) 并联的电容器降低输出噪声和控制压摆率。在本文中，我们将讨论降低输出噪声的另一种方法：使用前馈电容器 (cff)。
什么是前馈电容器？
前馈电容器是与电阻分压器顶部电阻并联的可选电容器，如图1所示。
图 1：使用前馈电容器的低压降稳压器 (ldo)
类似于降噪电容器 (cnr/ss)，添加前馈电容器具有多种影响。这些影响包括改善噪声、稳定性、负载响应和电源抑制比 (psrr)。应用报告“使用前馈电容器和低压降稳压器的优缺点”详细介绍了这些优点。另外，还值得注意的是，前馈电容器仅在使用可调ldo时才可行，因为电阻器网络是外部的。
改善噪声
作为电压调节控制环路的一部分，ldo的误差放大器使用电阻器网络（r1和r2）来提高基准电压的增益，类似于驱动场效应晶体管栅极的同相放大器电路，以使 (vout = vref × (1 + r1/r2)。这种增加意味着基准的直流电压将按1 + r1/r2系数提高。在误差放大器的带宽内，基准电压的交流元件（例如噪声）也会被放大。
通过在顶部电阻器 (cff) 上添加电容器，会为特定频率范围引入交流分流器。换句话说，该频率范围中的交流元件会保持在单位增益范围内。请记住，您使用的电容器的阻抗特性将决定这个频率范围。
图 2 演示了tps7a91噪声的减小（通过使用不同的cff值）。
图 2：tps7a91 噪声与频率和cff值的关系
通过在顶部电阻器上添加一个100nf电容器，您可将噪声从9μvrms降至4.9μvrms。
改进稳定性和瞬态响应
添加cff还会在ldo反馈环路中引入零点 (zff) 和极点 (pff)，使用公式1和2计算得出：
zff = 1 / (2 × π × r1 × cff) (1)
pff = 1 / (2 × π × r1 // r2 × cff) (2)
将零点置于发生单位增益的频率之前可提高相位裕度，如图3所示。
图 3：仅使用前馈补偿的典型ldo的增益/相位图
您可以看到，如果没有zff，单位增益会更早出现，大约为200khz。通过添加零点，单位增益频率在大约300khz处略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于pff位于单位增益频率的右侧，因此其对相位裕度的影响将是最小的。
在提高ldo的负载瞬态响应后，额外的相位裕度将很明显。通过增加相位裕度，ldo 输出将出现较少的振铃，稳定速度会更快。
改善psrr
根据零点和极点的位置，您还可以战略性地减少增益滚降。图3显示了零点对从 100khz开始的增益滚降的影响。通过增加频带的增益，您还将改善该频带的环路响应，从而使特定频率范围的psrr得到改善。请参阅图4。
图 4：tps7a8300 psrr与频率和cff值间的关系
如您所见，增加cff电容会将零点向左推，从而改善环路响应和较低频率范围内的相应psrr。
当然，您必须选择cff的值以及zff和pff的对应位置，以避免导致不稳定性。您可以通过遵循数据表中规定的cff限制来避免不稳定性，但我们通常建议选择介于10nf和 100nf之间的值。较大的cff可能会带来前面提到的优缺点应用报告中概述的其他挑战。
表 1 列出了一些关于cnr和cff如何影响噪声的经验法则。
表 1：cnr 和cff的优势与频率间的关系
结语
添加前馈电容器可以改善噪声、稳定性、负载响应和psrr。当然，您必须仔细选择电容器以保持稳定性。与降噪电容器配合使用时，可以大大提高交流性能。这些只是优化电源时需要牢记的一些工具。
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前馈电容器是与电阻分压器顶部电阻并联的可选电容器，如图1所示。
图 1：使用前馈电容器的低压降稳压器 (ldo)
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改善噪声
作为电压调节控制环路的一部分，ldo的误差放大器使用电阻器网络（r1和r2）来提高基准电压的增益，类似于驱动场效应晶体管栅极的同相放大器电路，以使 (vout = vref × (1 + r1/r2)。这种增加意味着基准的直流电压将按1 + r1/r2系数提高。在误差放大器的带宽内，基准电压的交流元件（例如噪声）也会被放大。
通过在顶部电阻器 (cff) 上添加电容器，会为特定频率范围引入交流分流器。换句话说，该频率范围中的交流元件会保持在单位增益范围内。请记住，您使用的电容器的阻抗特性将决定这个频率范围。
图 2 演示了tps7a91噪声的减小（通过使用不同的cff值）。
图 2：tps7a91 噪声与频率和cff值的关系
通过在顶部电阻器上添加一个100nf电容器，您可将噪声从9μvrms降至4.9μvrms。
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添加cff还会在ldo反馈环路中引入零点 (zff) 和极点 (pff)，使用公式1和2计算得出：
zff = 1 / (2 × π × r1 × cff) (1)
pff = 1 / (2 × π × r1 // r2 × cff) (2)
将零点置于发生单位增益的频率之前可提高相位裕度，如图3所示。
图 3：仅使用前馈补偿的典型ldo的增益/相位图
您可以看到，如果没有zff，单位增益会更早出现，大约为200khz。通过添加零点，单位增益频率在大约300khz处略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于pff位于单位增益频率的右侧，因此其对相位裕度的影响将是最小的。
在提高ldo的负载瞬态响应后，额外的相位裕度将很明显。通过增加相位裕度，ldo 输出将出现较少的振铃，稳定速度会更快。
改善psrr
根据零点和极点的位置，您还可以战略性地减少增益滚降。图3显示了零点对从 100khz开始的增益滚降的影响。通过增加频带的增益，您还将改善该频带的环路响应，从而使特定频率范围的psrr得到改善。请参阅图4。
图 4：tps7a8300 psrr与频率和cff值间的关系
如您所见，增加cff电容会将零点向左推，从而改善环路响应和较低频率范围内的相应psrr。
当然，您必须选择cff的值以及zff和pff的对应位置，以避免导致不稳定性。您可以通过遵循数据表中规定的cff限制来避免不稳定性，但我们通常建议选择介于10nf和 100nf之间的值。较大的cff可能会带来前面提到的优缺点应用报告中概述的其他挑战。
表 1 列出了一些关于cnr和cff如何影响噪声的经验法则。
表 1：cnr 和cff的优势与频率间的关系
结语
添加前馈电容器可以改善噪声、稳定性、负载响应和psrr。当然，您必须仔细选择电容器以保持稳定性。与降噪电容器配合使用时，可以大大提高交流性能。这些只是优化电源时需要牢记的一些工具。
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