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LDO 基础知识：噪声 - 第2部分

时间：2019-01-17 09:35来源：21Dianyuan

摘要：本篇博文将讨论降低输出噪声的另一种方法：使用前馈电容(CFF)。

本文作者：德州仪器 Aaron Paxton

在我的上一篇博文LDO基础知识：噪声 – 第1部分中，我探讨了如何减少输出噪声和控制压摆率，方法是为参考电压(CNR/SS)并联一个电容器。在本篇博文中，我将讨论降低输出噪声的另一种方法：使用前馈电容(CFF)。

什么是前馈电容？
前馈电容是一个可选的顶容器，与电阻分压器的上半部电阻并联，如图 1 所示。

图 1：使用前馈电容的NMOS低压差稳压器(LDO)
 
与降噪电容(CNR/SS)相似，添加前馈电容具有多种效果。最主要的是降噪，还包括改进稳定性、负荷响应和电源抑制比(PSRR)。（应用报告“使用前馈电容的低压差稳压器的优缺点,”详尽讨论了这些益处。）值得注意的是只有使用可调节LDO时才能使用前馈电容，因为此时电阻网络在外部。

降噪
LDO进行调节时会使用误差放大器，而误差放大器会使用电阻网络（R1和R2）来提高参考电压的增益，从而驱动FET的栅极，这与同相放大器非常相似。参考的直流电压将增加？？？倍。不过，考虑到误差放大器的带宽，您还可以寄望于参考电压某些交流元件的放大功能。

通过为电阻分压器上半部分电阻并联电容器，您就针对特定频率范围引入了一个分流器。换言之，您使该频率范围内的交流元件贡献于单位增益，此时R1模拟短路的情况。（请牢记所用电容器的阻抗属性，以便确定该频率范围。）

如图 2 所示，您可以看到使用不同CFF值时，TPS7A91的噪声下降效果。

图 2：TPS7A91噪声 vs 频率和CFF值
 
通过为电阻分压器上半部分电阻并联一个100nF电容器，可将噪声从9μVRMS降至4.9μVRMS.

改进稳定性和瞬态响应
添加一个CFF还为LDO反馈环路引入了零点(ZFF)和极点(PFF)，它们的计算见等式 1 和 2：

ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF)                               (1)
PFF = 1 / (2 x π x R1 // R2 x CFF)                    (2)

在达到发生单位增益的频率之前就形成零点，可以改善相位裕度，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，单位增益的发生大约将提前约200kHz。通过添加零点，单位增益频率向右移动了一点(~300kHz)，但是相位裕度也增加了。由于PFF位于单位增益频率的右侧，所以它对于相位裕度的影响也最小。

在改进LDO的负荷瞬态响应后，将看到相位裕度的明显增加。在相位裕度增加后，LDO输出将减少振铃并更快速稳定。

改善PSRR
取决于零点和极点的设置，您还可以巧妙减少增益漂移。图 3 显示了零点对从100kHz开始的增益下降的影响。通过提高频段内的增益，您还将改进该频段的环路响应。这会改善该特定频率范围的PSRR。参见图4。

图 4：TPS7A8300 PSRR vs. 频率和CFF值
 
如图所示，增加CFF电容值，会将零点推向左侧。催生较低频率范围内产生更佳的环路响应和相应PSRR。

当然，您必须选择CFF值和适当添加零点ZFF和极点PFF，这样才不会造成不稳定。遵守上面这个数据表给出的CFF限值，即可防止不稳定情况的出现。大电容值CFF会造成前述应用报告介绍的其他问题。

表 1 列出了有关 CNR 和 CFF 如何影响噪声的经验法则。
参数 噪声
低频率
(<1kHz)		 中频率
(1kHz-100kHz)		 高频率
(>100kHz)
降噪电容器(CNR) +++ + 无效果
前馈电容(CFF) + +++ +
表 1：CNR和CFF vs 频率
 
结论
正如本文论述的那样，添加一个前馈电容可降噪，改进稳定性、负荷响应和PSRR。当然，您必须仔细选择电容器才能维持稳定性。如果采用降噪电容器，交流性能将获得大幅改善。这些是您需要牢记以便优化电源的几个方法。

其他资源
• 详细阅读 LDO 基础知识博文
• 阅读应用指南：详细检测 LDO 噪声
• 查阅 低压差稳压器选择指南
• 阅读电子书 LDO 基础知识
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