LDO基础知识（二）

下表列了一些经验，显示 Cnr/ss 和 Cff 对噪声的影响程度。表 1. Cnr/ss 和 Cff 的影响与频率的关系参数噪声低频（<= 1kHz）中频（1kHz~100kHz）高频（>100kHz）降噪电容Cnr/ss抑制效果好抑制效果一般无影响前馈电容Cff抑制效果一般抑制效果好抑制效果一般。

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3878人浏览 · 2023-08-09 20:10:46

paper_tigers · 2023-08-09 20:10:46 发布

前面介绍了LDO的结构和压降，第二部分LDO使用的电容。

一. LDO 电容

前馈电容

前馈电容是和电阻分压反馈网络顶部电阻并联的电容，可以改善噪声性能、稳定性、负载响应和电源抑制比 PSRR。注意的是，使用前馈电容器只有在使用可调 LDO 时才可行，因为电阻网络位于LDO 外部。

改善噪声性能

图 1. 使用前馈电容器的 NMOS LDO

在稳压过程中，LDO 的误差放大器使用电阻网络（R1 和 R2）提高参考电压的增益，以便相应地驱动FET的栅极。参考直流电压将按 1+R1/R2 的倍数增大。考虑到误差放大器的带宽，参考电压交流元件的某些部分也会放大。通过在顶部电阻并联电容，将为特定频率范围引入分流功能。可以将该频率范围内的交流元件保持在单位增益范围内，其中 R1 模拟短路（该频率范围将由所使用的电容器的阻抗特性确定）。

图 2. TPS7A91 噪声与频率和 Cff 值的关系

从图2可以看出，通过使用不同的 Cff 值，可以降低 TPS7A91 的噪声。与顶部电阻并联放置 100nf电容器后，可以将噪声从 9μVrms 降至 4.9μVrms。

改善稳定性和瞬态响应

添加 Cff 还会在 LDO 反馈回路中引入零点 (Zff) 和极点 (Pff)，可分别通过下面公式进行计算：

$Z_{ff}=1/\left \{ 2\pi *R_{1}*R_{2}*C_{ff}\right \}$

$R_{ff}=1/\left \{ 2\pi *R_{1}//R_{2}*C_{ff}\right \}$

将零点置于出现单位增益的频率之前可以提高相位裕度，如图3所示。

图 3. 仅使用前馈补偿的典型 LDO 的增益/相位图

从图 3 中可以看到，没有 Zff 时，单位增益将提前在 200kHz 左右出现。增加零点后，出现单位增益的频率略微右移（约 300kHz），相位裕度也有所提高。由于 Pff 位于单位增益频率的右侧，因此它对相位裕度的影响微乎其微。增加的相位裕度在 LDO 改善的负载瞬态响应中非常明显。通过增加相位裕度，LDO 输出将减少振铃并更快稳定。

提高改善电源抑制比

根据零点和极点的位置，还可以缩减增益衰减幅度。图 4 显示了从 100kHz 开始零点对增益衰减的影响。通过增大频段的增益，还能够改善该频段的环路响应，从而使该特定频率范围的 PSRR 提高。请参见图 4。

图 4. TPS7A8300 PSRR 与频率和 Cff 值的关系

如图 4 所示，增大 Cff 电容会使零点左移，从而在较低频率范围内改善环路响应和相应的 PSRR。当然必须选择 Cff 的值以及 Zff 和 Pff 的相应位置，以确保稳定性。遵循手册中规定的 Cff 限制，可以防止出现不稳定性。

降噪电容

LDO 器件管脚中具有名为 “NR/SS” 的特殊引脚，如上图 1 所示，这个 “NR/SS” 引脚具有双重功能：可用于过滤内部电压基准产生的噪声并降低 LDO 启动或使能期间的转换率。

在此引脚上添加电容器 (Cnr/ss) 将形成具有内部电阻的阻容 (RC) 滤波器，帮助分流由电压基准生成的不需要的噪声。由于电压基准是生成噪声的主要因素，增大电容有助于将此低通滤波器的截止频率左移。下图显示了此电容器对输出噪声产生的影响。

图 5. TPS7A91 的噪声频谱密度与频率和 Cnr/ss 的关系

Cnr/ss 的值越大，降噪效果越好。但是在某些点上，增大电容不会再降低噪声。其余噪声来自误差放大器、FET 等。

添加电容器还会在启动期间引入 RC 延迟，导致输出电压以较慢的速率上升。当输出端或负载上存在大容量电容并且需要减小浪涌电流时，此方法十分有利。浪涌电流表示为：

$I_{inrush}=\left \{ C_{out} +C_{load}\right \}\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t}V$

为减小浪涌电流，必须降低输出电容或转换率。Cnr/ss 可以降低转化率。

图 6. TPS7A85 启动时的电压与 Cnr/ss 的关系。

如图 6 所示，增大 Cnr/ss 值会延长启动时间，从而防止浪涌电流出现尖峰，并且可能会触发电流限制事件。

二. 总结

下表列了一些经验，显示 Cnr/ss 和 Cff 对噪声的影响程度。

表 1. Cnr/ss 和 Cff 的影响与频率的关系

参数	噪声
参数	低频（<= 1kHz）	中频（1kHz~100kHz）	高频（>100kHz）
降噪电容Cnr/ss	抑制效果好	抑制效果一般	无影响
前馈电容 Cff	抑制效果一般	抑制效果好	抑制效果一般