什么是 LDO噪声？什么是积分噪声？什么是 PSRR？
什么是 LDO噪声？什么是积分噪声？什么是 PSRR？
什么是 LDO 噪声？
今天，我们将进一步详细谈谈什么是噪声，它是如何分类的，并介绍安森美半导体提供的超低噪声 LDO。
噪声分为两类：内部噪声和外部噪声。内部噪声是不可避免的，每个电子设备都会产生内部噪声。LDO 由理想的源供电，这意味着它不受外界影响，因此在输入端没有外部噪声 (虽然 LDO 在输出端确实有内部噪声)。外部噪声是由外界影响(输入处的纹波——实际源) 产生的各种噪声。输入波纹与电源抑制比 (PSRR) 有关。
此外，还有如热和闪烁等噪声的不同类别。热噪声是由粒子的随机热运动引起的，这种运动称为扩散。热噪声的存在没有外部电压连接。与热噪声不同的是，闪烁噪声是由粒子电流的随机变化引起的，这种运动称为漂移。漂移是由外部电压引起的，这意味着没有外部电压就不可能存在闪烁噪声。
噪声也可按频谱划分。我们用颜色来识别特定的噪声频谱。例如白色、粉红色、棕色、灰色等。通过颜色识别的第一种噪声是白噪声，它在整个频谱范围内是平滑的。
那么我们如何测量噪声呢？如前所述，内部噪声是由输入端有理想源的 LDO 产生的噪声。在实际测量中，这个理想的源可能是电池，它比 LDO 稳压器具有更低的内部噪声。这种噪声与频率有关，它由一个参数表示，如频谱噪声密度曲线或积分噪声值 (在通常为10 Hz 至100 kHz 的特定频率范围内，输出噪声电压以微伏- uVRMS 表示)。
但什么是频谱噪声密度呢？如果您及时测量噪声，您只能看到噪声的绝对振幅值，但不能看到所有噪声属性的频率。正如上面的图片所示，噪声在x10的范围内。频谱噪声密度曲线是所产生的噪声之和。每一噪声都是在窄幅的频率范围内测量的。您可在下面的图片中看到频谱噪声密度。
LDO 输出端的噪声也与负载有关。负载消耗电流 Iout，该电流值等于电阻 RLOAD。与负载相关的是多个 RLOAD 和输出电容 COUT。较高的 RLOAD 值或较高的 COUT 值意味着与负载相关的曲线部分向较低频率移动。在上面的图片上，您可看到与 IOUT 有关，在下面的图片中，您可看到与 COUT 有关。
安森美半导体有宽广的 LDO 阵容，具有不同的噪声参数。标准的 LDO 通常具有典型的 50 uVRMS 以上的积分噪声，另外还有低噪声产品 (噪声 RMS) 和超低噪声器件 (噪声 RMS)。例如最新的超低噪声 LDO 是 NCP 160/NCP 161/NCP 163/NCP 167 系列和 NCP 110。这些 LDO 的积分噪声低于 10 uVRMS，是敏感应用如射频、传感器、摄像机、智能手机、平板电脑或无线局域网的极佳选择。
但是，如何表示 LDO 输出的噪声有多大呢？可用如上文所示的积分噪声频率范围表示。这个范围通常是10赫兹至100千赫。请继续关注第二部分，在第二部分中，我们将更深入地讨论下一个问题。
什么是 LDO 噪声？
先前在博客《什么是 LDO 噪声？第一部分》中，我们谈到了什么是噪声、如何分类，并介绍了安森美半导体提供的超低噪声低压降稳压器。今天，我们将进一步详细谈谈什么是积分噪声。
积分噪声值由噪声谱密度函数的积分导出。然而，用函数表示任何一条曲线并将其积分非常复杂。将测量曲线分割成小部分更容易。如果每部分的频差 fn+1 – fn 趋于0，则所有贡献之和等于函数的积分。
在实际测量中，实现 fn+1 – fn 的零频差是不可能的，但有可能使其接近于零。噪声谱密度测量有多个点，使我们能够获得较好精度的积分噪声和检测振荡峰。在我们的例子中，我们有6,400点在10赫兹至100千赫的频率范围内。噪声谱密度曲线由6,399个区间插值，表示为 VNOISE,AVG,n 。
下图显示 NCP110 LDO 稳压器的噪声谱密度。如果我们将 NCP110 LDO 稳压器的测量值插入到最后的方程中，我们将得到积分噪声的结果，如下表所示。虽然噪声谱密度曲线由于 COUT 值较高而移动到一个较低的频率，但积分噪声增加。为什么会这样呢？如下图所示，您可看到这是因为与 IOUT 和 COUT 相关的峰值移动到 10 Hz 至 100 kHz 的范围内，在此范围内计算积分噪声。
为什么不选一些输出电容值高的 LDO？如您所见，在输出电容值升高，输出电流降低时，与输出电流和输出电容有关的峰值，会上升并移动到有用的频率范围 10 Hz 至 100 kHz。
高输出电容值，例如 10 uF，改善瞬态响应。更好的瞬态响应可能是使用高输出电容值的一个原因。在本例中，NCP110 在使用较高的输出电容值时具有振铃 (超过一个下冲) 和较长的对瞬态事件的稳定时间，但它仍然稳定。振铃使峰值增大，积分噪声也增加，如下表所示。NCP110 LDO 稳压器是为 1 uF 较低的输出电容值而设计，附加电容改善了系统的瞬态响应，但影响了系统的噪声性能。
积分噪声是一种表示 LDO 在特定频率范围内产生多少噪声的方法。了解如何测量这种噪声和系统级设计选择的影响在设计干净的电源时很重要。请继续关注下一篇关于电源抑制比 (PSRR) 的文章，我们将谈谈如何测量及对系统级设计的影响。同时，请查看我们的 NCP110 数据表，以了解有关本主题的更多信息。
什么是PSRR？
之前在我们的博客《什么是积分噪声？第二部分》中，我们谈到了积分噪声及其意义。今天，我们将重点谈谈低压降稳压器 (LDO) 参数和电源抑制比 (PSRR) 特性，以及它如何受到应用的条件影响。
PSRR 描述 LDO 抑制输入源纹波电压的能力，可用以下公式表示：
PSRR 曲线的一个例子如图1所示。我们可把此图分成两个区域。第一个区域标记为 LDO 有源区域，涵盖 LDO 作为有源纹波抑制器工作的频率范围。这代表控制回路能够通过一个过渡器件 (pass device) 补偿输入纹波，并保持稳定的输出电压。实际上，它的形状几乎与运算放大器的增益特性相同。它是线性升高的，直到控制回路不能将增益保持在期望的水平。在理想世界中，如果没有任何输出电容，增益就会降低，直到等于1为止。这一点被称为过渡频率。在现实世界中，一个 LDO 需要一些输出电容来稳定。它的阻抗与寄生阻抗共同构成滤波器，有助于改善高频 PSRR 特性。
图1. 简化的 PSRR 频率区域图
另一个区域 (COUT +PCB寄生区)，LDO 不通过控制回路抑制输入电压纹波，只有一个输出级阻抗。
LDO 的 PSRR 性能不仅受到稳压回路性能的影响，而且还受到一些关键内部控制电路性能的影响。电源产生的电压纹波通过各种内部块，影响输出性能。图2显示了基本的 LDO 框图和输入电压纹波影响输出电压的可能方式。
图2. 简化的 LDO 框图
第一条重要路径是内部电压基准块。它为误差放大器和其他 LDO 块生成稳定和干净的参考电压。当任何纹波电压通过基准块到输出时，误差放大器将这不想要的电压纹波**到 LDO 输出。这是不想要的行为，因此基准电压块应尽可能干净，以获得好的 PSRR。
第二条敏感路径是误差放大器电源。无论参考电压的稳定性如何，如果误差放大器没有干净的电源电压，结果将是不准确的。耦合电压纹波会影响放大器的增益稳定性和频率补偿，导致输出电压扰动，降低 PSRR。
第三条路径是通过过渡器件 (pass device) 耦合到输出端。通过对稳压器进行适当的补偿，减小纹波。这是输出电压纹波的主要原因，设计良好的 LDO 应该能够在低频和中频区域抑制这纹波。
LDO 的 PSRR 性能也受外部应用条件的影响。最重要的因素是负载电流、输出电容和电压余量。让我们更进一步看看这每一条路径。
图3显示了稳压器负载电流的影响。我们可看到，在高频范围内，更高的电流会使 PSRR 更差.
图3. 输出曲线对比 PSRR-NCP163
图4显示了输出电容的选择如何影响 PSRR。我们可看到，在高频区域，更高的电容大大提高了 PSRR。这证实了我们以前的理论，输出阻抗和 PCB 寄生阻抗形成一个LC滤波器，以保持较高的 PSRR。当 LDO 用作后 DC-DC 稳压器时，它对调节 PSRR 很有用。经验丰富的工程师可以移动 PSRR 峰值，以准确匹配变换器的开关频率。应保持允许的最大 COUT 值。
图4. 输出电容值对比 PSRR – NCP163
在图5中，我们可看到经常被忽略的电压余量参数及其对 PSRR 的影响。电压余量是指 VIN-VOUT 之间的电压差，不能与 LDO 压降混淆。在下面的例子中，NCP 163 提供了非常低的压降，因此可以使用非常小的电压余量来实现相当好的 PSRR 性能。我们可看到，100毫伏的电压余量足以实现可靠的功能，但每增加1毫伏就显着改善 PSRR。最终回报会递减，没有必要使用高于300 mV的电压余量。
图5. 电压余量对比 PSRR – NCP163
了解 PSRR 以及输入电压纹波如何耦合到 LDO 结构中并影响其性能对于 LDO 性能非常重要。我们的下一篇博客将谈谈 PSRR 值在实际应用中的意义。请继续关注。请继续关注一些好的设计实践的良好范围的图片和演示。所有的测量和图表都采用我们的超高 PSRR NCP163。
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