LDO的运行困境：低裕量和最小负载
基于深亚微米工艺的新型千兆级模拟电路需要的电源电压越来越低，在某些情况下要低于1 v。这些高频电路通常需要较大的电源电流，因此，热管理可能会变得困难。设计目标是将功耗降至电路性能所必需的水平。
开关式dc-dc转换器可提高电源效率，有些器件的效率可超过95%，但是以增加电源噪声为代价，通常在较宽带宽范围内都存在噪声问题。低压差线性稳压器(ldo)常用于清除供电轨中的噪声，但也需要进行一些权衡考量，其功耗会增加系统的热负载。为了缓解这些问题，使用ldo时，可使输入和输出电压之间存在较小的压差（裕量电压）。本文旨在讨论低裕量电压对电源抑制和总输出噪声的影响。
ldo电源抑制与裕量
ldo电源抑制比(psrr)与裕量电压高度相关——裕量电压指输入与输出电压之差。对于固定裕量电压，psrr随着负载电流的增加而降低；大负载电流和小裕量电压条件下尤其如此。图1显示了超低噪声、2.5v线性稳压器adm7160在200 ma负载电流和200 mv、300 mv、500 mv和1 v裕量电压条件下的psrr。随着裕量电压的减小，psrr也会减小，压差可能变得非常大。例如，在100 khz下，裕量电压从1 v变为500 mv，将会使psrr减少5 db。然而，裕量电压的较小变化，从500 mv变为300 mv，会导致psrr下降18 db以上。
图1.adm7160 psrr与裕量。
图2显示了ldo的框图。随着负载电流的增加，pmos调整元件的增益会减小，随后脱离饱和状态进入三极工作区。这会使总环路增益减小，从而导致psrr下降。裕量电压越小，增益降幅越大。随着裕量电压继续减小，会达到一个点，在该点控制环路的增益降至1，psrr降至0 db。
导致环路增益减小的另一个因素是调整元件的电阻，包括fet的导通电阻、片内互连电阻和焊线电阻。可以根据压差推算出该电阻。例如，采用wlcsp封装的adm7160在200 ma下的最大压差为200 mv。利用欧姆定律，调整元件的电阻约为1 ω。调整元件可近似为一个固定电阻加上可变电阻。
流过该电阻的负载电流会导致与fet的漏源工作电压之间产生压差。例如，在1 ω fet条件下，200 ma的负载电流会使漏源电压下降200 mv。在估算裕量为500 mv或1 v的ldo的psrr时，必须考虑调整元件上的压差，因为调整fet的工作电压实际上只有300 mv或800 mv。
图2.低压差稳压器的框图。
容差对ldo裕量的影响
客户通常会要求应用工程师帮助他们选择合适的ldo，以便在负载电流为z时，从输入电压y产生低噪声电压x，但当设置这些参数时，往往会忽略的一个因素是输入和输出电压的容差。随着裕量电压值变得越来越小，输入和输出电压的容差会极大地影响工作条件。输入和输出电压的最差条件容差始终会导致裕量电压下降。例如，最差条件下的输出电压可能高1.5%，输入电压可能低3%。当通过一个3.8 v源驱动3.3 v的稳压器时，最差条件下的裕量电压为336.5 mv，远低于预期值500 mv。在最差条件负载电流为200 ma时，调整fet的漏源电压只有136.5 mv。在这种情况下，adm7160在10ma时的psrr可能远远低于标称值他，即55 db。
压差模式下ldo的psrr
客户经常向应用工程师请教ldo在压差模式下的psrr。起初，这似乎是个合理的问题，但只要看看简化的框图，就知道这个问题毫无意义。当ldo工作在压差模式时，调整fet的可变电阻部分为零，输出电压等于输入电压减去通过调整fet的rdson的负载电流而引起的压降。ldo不进行调节，也没有用来抑制输入噪声的增益；它仅充当一个电阻。fet的rdson与输出电容形成rc滤波器，可提供少量的残余psrr，但简单的电阻或铁氧体磁珠可以更经济有效地完成同一任务。
在低裕量工作模式下维持性能
在低裕量工作模式下，需要考虑裕量电压对psrr的影响，否则将导致输出电压噪声水平高于预期的情况。数据手册中通常会提供psrr与裕量电压的关系曲线，如图3所示，其可用来确定给定条件下可能的噪声抑制程度。
图3.psrr与裕量电压的关系。
然而，通过展示ldo的psrr是如何有效滤除源电压中的噪声，可以很容易地看到这种信息的利用价值。下图显示了ldo在不同裕量电压下工作时，对总输出噪声的影响。
图4展示的是2.5 v adm7160在500 mv裕量和100 ma负载条件下，相对于e3631a台式电源的输出噪声，该台式电源在20 hz至20 mhz范围内的额定噪声低于350 μv-rms。1 khz以下的许多杂散都是与60 hz线路频率整流相关的谐波。10 khz以上的宽杂散来自产生最终输出电压的dc-dc转换器。1 mhz以上的杂散源于环境中与电源噪声不相关的rf源。在10 hz至100 khz范围内，这些测试所用电源的实测噪声为56 μv rms，含杂散为104 μv-rms。ldo抑制电源上的所有噪声，输出噪声约为9 μv-rms。
图4.adm7160噪声频谱密度（裕量为500 mv）。
当裕量电压降至200 mv时，随着高频psrr接近0 db，100 khz以上的噪声杂散开始穿过噪底。噪声略升至10.8 μv rms。随着裕量降至150 mv，整流谐波开始影响输出噪声，即输出噪声上升至12 μv rms。在大约250 khz处出现幅度适中的峰值，因此，尽管总噪声的增加量并不大，但敏感电路也可能受到不利影响。随着裕量电压进一步下降，性能将会受到影响，与整流相关的杂散开始在噪声频谱中显现出来。图5所示为100-mv裕量条件下的输出。噪声已上升至12.5 μv rms。谐波所含能量很少，因此，杂散噪声仅略有增加，为12.7 μv rms。
图5.adm7160噪声频谱密度（裕量为100 mv）。
当裕量为75 mv时，输出噪声受到严重影响，整个频谱中都会出现整流谐波。rms噪声升至18 μv rms，噪声加杂散升至27 μv rms。由于ldo环路无增益，并充当一个无源rc滤波器，因此超过~200 khz的噪声会被衰减。当裕量为65 mv时，adm7160采用压差工作模式。如图6所示，adm7160的输出电压噪声实际上与输入噪声相同。rms噪声为53 μv rms，噪声加杂散为109 μv rms。因为ldo充当一个无源rc滤波器，所以超过~100 khz的噪声会被衰减。
图6.adm7160在压差模式下的噪声频谱密度。
高psrr、超低噪声ldo
adm7150超低噪声、高psrr调节器等新型ldo实际上级联了两个ldo，因此，得到的psrr约为单级psrr之和。这些ldo要求略高的裕量电压，但能够在1 mhz时实现超过60 db的psrr，在较低频率下实现远超100db的psrr。
图7所示为5 v adm7150的噪声频谱密度，其负载电流为500 ma，裕量为800 mv。10 hz至100 khz范围内，输出噪声为2.2 μv rms。随着裕量降至600 mv，整流谐波开始显现，输出噪声升至2.3 μv rms，其对噪声的影响很小。
图7.adm7150噪声频谱密度（裕量为800-mv）。
如图8所示，当裕量为500 mv时，整流谐波和12 khz的峰值清晰可见。输出电压噪声升至3.9 μv rms。
图8.adm7150噪声频谱密度（裕量为500-mv）。
当裕量为350 mv时，ldo采用压差工作模式。此时，ldo再也不能调节输出电压，其作用类似于电阻，输出噪声升至近76 μv rms，如图9所示。输入噪声仅通过fet的rdson和输出端电容形成的极点来衰减。
图9.adm7150在压差模式下的噪声频谱密度。
结论
现代ldo越来越多地用于清除供电轨中的噪声，这些供电轨通常采用在较宽频谱下会产生噪声的开关稳压器来实现。开关稳压器以高效率创建这些电压轨，但高能耗ldo既会减少噪声，也会导致效率下降。因此，应尽量降低ldo的工作裕量电压。
如前所述，ldo的psrr是负载电流和裕量电压的函数，会随负载电流的增加或裕量电压的减少而减少，因为在调整管的工作点从饱和工作区移至三极工作区时，环路增益会下降。
考虑到输入源噪声特性、psrr和最差条件容差，设计人员可同时优化功耗和输出噪声，为敏感型模拟电路构建高效的低噪声电源。
裕量电压非常低时，输入和输出电压的最差条件容差可能会对psrr产生影响。在设计时充分考虑最差条件容差可以确保设计的鲁棒性，否则，得到的电源解决方案将具有较低的psrr，其总噪声也会高于预期。
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图1.adm7160 psrr与裕量。
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流过该电阻的负载电流会导致与fet的漏源工作电压之间产生压差。例如，在1 ω fet条件下，200 ma的负载电流会使漏源电压下降200 mv。在估算裕量为500 mv或1 v的ldo的psrr时，必须考虑调整元件上的压差，因为调整fet的工作电压实际上只有300 mv或800 mv。
图2.低压差稳压器的框图。
容差对ldo裕量的影响
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压差模式下ldo的psrr
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图5.adm7160噪声频谱密度（裕量为100 mv）。
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图6.adm7160在压差模式下的噪声频谱密度。
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图7所示为5 v adm7150的噪声频谱密度，其负载电流为500 ma，裕量为800 mv。10 hz至100 khz范围内，输出噪声为2.2 μv rms。随着裕量降至600 mv，整流谐波开始显现，输出噪声升至2.3 μv rms，其对噪声的影响很小。
图7.adm7150噪声频谱密度（裕量为800-mv）。
如图8所示，当裕量为500 mv时，整流谐波和12 khz的峰值清晰可见。输出电压噪声升至3.9 μv rms。
图8.adm7150噪声频谱密度（裕量为500-mv）。
当裕量为350 mv时，ldo采用压差工作模式。此时，ldo再也不能调节输出电压，其作用类似于电阻，输出噪声升至近76 μv rms，如图9所示。输入噪声仅通过fet的rdson和输出端电容形成的极点来衰减。
图9.adm7150在压差模式下的噪声频谱密度。
结论
现代ldo越来越多地用于清除供电轨中的噪声，这些供电轨通常采用在较宽频谱下会产生噪声的开关稳压器来实现。开关稳压器以高效率创建这些电压轨，但高能耗ldo既会减少噪声，也会导致效率下降。因此，应尽量降低ldo的工作裕量电压。
如前所述，ldo的psrr是负载电流和裕量电压的函数，会随负载电流的增加或裕量电压的减少而减少，因为在调整管的工作点从饱和工作区移至三极工作区时，环路增益会下降。
考虑到输入源噪声特性、psrr和最差条件容差，设计人员可同时优化功耗和输出噪声，为敏感型模拟电路构建高效的低噪声电源。
裕量电压非常低时，输入和输出电压的最差条件容差可能会对psrr产生影响。在设计时充分考虑最差条件容差可以确保设计的鲁棒性，否则，得到的电源解决方案将具有较低的psrr，其总噪声也会高于预期。
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