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选择合适的电源器件，为你的电路系统“主动降噪”

时间：2020-10-20 15:19来源：ADI 公司

摘要：LDO易于使用，但PSRR和内生噪声常常令人困惑。许多情况下，都将二者一起简单地归类为噪声，这是对性能指标的误用，因为这两种噪声具有不同的特性，并且用于降低其对系统性能影响的方法也不同。

自工业革命开始，地球上的环境噪音不断在增加，噪音不仅会干扰日常交谈及生活，更会衍生出健康与安全问题，因此目前人们对于多场景下的主动降噪需求愈发明显。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号，也称为噪声。但是，一些非目的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。电路噪声对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。电路设计同理，作为器件性能是否优越的关键因素，如果因为电路噪声导致有用的信号被淹没，那就得不偿失了，因此加强电路设计的抗干扰能力尤为重要，选择合适的电源器件为你的电路主动“降噪”吧。
 
电路系统中噪声的简单分类

高功效比电路系统通常使用低压差稳压器 (LDO)，选择 LDO 时，最受关注的规格常常是低噪声和高电源电压抑制比 (PSRR)。LDO，或者说任何电路的噪声源都可以分为两大类：内部噪声和外部噪声。对于电子电路，内部噪声是指任何电子器件内部产生的噪声，外部噪声则是指从电路外部传到电路中的噪声。LDO易于使用，但PSRR和内生噪声常常令人困惑。许多情况下，都将二者一起简单地归类为噪声，这是对性能指标的误用，因为这两种噪声具有不同的特性，并且用于降低其对系统性能影响的方法也不同。
 
下图为LDO的简单框图，显示了内部噪声源与外部噪声源的区别。误差放大器决定LDO的PSRR，因而也决定了其抑制输入端噪声的能力。内部噪声则始终出现在LDO的输出端。
 
 
显示内部和外部噪声源的简化LDO框图
 
l 内部噪声
内部噪声有许多来源，各种噪声源都有自己独一无二的特性。图2显示了-一个典型器件的噪声如何随频率而变化，以及各类噪声对总噪声的贡献。从1/f区到热区的跃迁点称为转折频率。内部噪声主要有以下几类:热噪声、1/f噪声、散粒噪声、爆裂或爆米花噪声。
 
热噪声：在绝对零度以上的任何温度，导体或半导体中的载流子(电子和空穴)会发生扰动，这就是热噪声(亦称约翰逊噪声或白噪声)的来源。热噪声功率与温度成比例。它具有随机性，因而不随频率而变化。

1/f噪声来源于半导体的表面缺陷。1/f噪声功率与器件的偏置电流成正比，并且与频率成反比，这一点与热噪声不同。即使频率非常低，该反比特性也成立，然而，当频率高于数kHz时，关系曲线几乎是平坦的。1/f噪声也称为粉红噪声，因为其权重在频谱的低端相对较高。

散粒噪声发生在有势垒的地方，例如PN结中。半导体器件中的电流具有量子特性，电流不是连续的。当电荷载子、空穴和电子跨过势垒时，就会产生散粒噪声。像热噪声一 样，散粒噪声也是随机的，不随频率而变化。

爆裂或爆米花噪声是一种低频噪声，似乎与离子污染有关。爆米花噪声表现为电路的偏置电流或输出电压突然发生偏移，这种偏移持续的时间很短，然后偏置电流或输出电压又突然返回其原始状态。这种偏移是随机的，但似乎与偏置电流成正比，与频率的平方成反比(1/f2)。由于现代半导体工艺技术的洁净度非常高，爆裂噪声几乎已经被消除，不再是器件噪声的一个主要因素。
 
l 外部噪声
外部噪声源远多于内部噪声源，包括以下耦合到敏感电路中的电磁场、导致压电材料产生干扰交流电压的机械冲击或振动、来自其他电路，通过电源或设计不佳的PCB布局布线传导或辐射到电路中的噪声等。
 
ADI数款超低噪声LDO推荐

随着各种智能终端和物联网设备的功能越来越智能化，各种终端和传感器也越来越多，同时对微弱信号的探索也提出了更高的挑战，所以对于产品中的电源纹波和噪声要求也越来越严苛。LT1763是ADI推出历经市场考验的经典微功率、低噪声、低压差稳压器。该器件能够提供500mA的输出电流和一个300mV的压差电压，专为在电池供电型系统中使用而设计，30μA的低静态电流使其成为一种理想的选择。此外，LT1763稳压器的一个重要特点是具有低输出噪声。在增设一个外部0.01μF旁路电容器的情况下，输出噪声将降至20μVRMS（在一个10Hz至100kHz的带宽之内）。LT1763稳压器可在采用低至3.3μF的输出电容器时实现稳定。可以采用小的陶瓷电容器，而不像其他稳压器那样必需使用串联电阻。
　
 
 
LT1763之外，ADI公司推出了超高PSRR、超低噪声正输出LDO稳压器LT304x系列。例如LT3045其具备低至0.8uVrms和2nV/√HZ@10KHz的噪声，在1MHz时还具备76dB的超高共模抑制比（PSRR）。同时其1.8-20V的超宽输入电压范围和0.26V的低压差，为各种智能产品和传感器产品设计提供高质量的供电。
 
 
 
LT304x系列最新成员是一款超低噪声、超高PSRR的500 mA低压差负线性稳压器LT3094。该器件是常用的500mA LT3045 (LT3042为200 mA）的负输出版本。LT3094的独特设计使其在10 kHz时具有仅2 nV/Hz的超低点噪声，在10 Hz至100 kHz宽带宽范围内具有0.85V rms的集成输出噪声。其PSRR性能非常出色：接近4 kHz时的低频PSRR超过100 dB，2 MHz时的高频PSRR超过70 dB，可以消除噪声或高纹波输入电源。
 
 
 
LT3094采用特殊的LDO架构。精密电流源基准后面接着高性能的单位增益缓冲器，可实现几乎恒定的带宽、噪声PSRR和负载调整性能，不受输出电压影响。此外，该架构允许多个LT3094并联，以进一步降低噪声，增加输出电流，并可在印刷电路板上散热。
 
总结

通常而言，电子工程师在进行系统设计时往往会遇到的情况是，电路的模拟硬件部分设计出来以后发现电路中的噪声太大，而不得不重新进行设计和布线。避免噪声问题在设计初期进行器件选择时试试ADI的超低噪声电源器件，并遵循一些基本的设计准则，或许可以在节省时间和成本的同时提高应用的性能。
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