使用超低噪声LDO稳压器提供清洁电源

尽管 LDO 稳压器通常是任何给定系统中成本最低的组件之一，但从成本/收益角度来看，它通常是最有价值的组件之一。除了输出电压调节之外，LDO 稳压器的另一项关键任务是保护昂贵的下游负载免受电压瞬变、电源噪声、反向电压、电流浪涌等恶劣环境条件的影响。

简而言之，它的设计必须坚固耐用，并包含在保护负载的同时吸收环境惩罚所需的所有保护功能。许多低成本 LDO 线性稳压器没有必要的保护功能，因此会出现故障，不仅会损坏稳压器本身，还会损坏下游负载。

LDO 稳压器与其他稳压器

可以通过多种方法实现低压降压转换和调节。

当今一代快速、高电流、低电压的数字 IC，如 FPGA、DSP、CPU、GPU 和 ASIC，对为内核和 I/O 通道供电的电源提出了更严格的要求。传统上，由于电荷泵缺乏必要的输出电流和瞬态响应，因此已使用高效的开关稳压器为这些设备供电。然而，切换器存在潜在的噪声干扰问题，有时它们具有缓慢的瞬态响应和布局限制。

因此，LDO 稳压器是这些应用以及其他低压系统的替代方案。由于最近的产品创新和功能增强，LDO 稳压器提供了一些性能优势，使其更受欢迎。

此外，在为噪声敏感的模拟/RF 应用供电时（通常在测试和测量系统中发现，其中机器或设备的测量精度需要比被测量实体好几个数量级），LDO稳压器通常比其开关对应物更受欢迎。低噪声 LDO 稳压器为各种模拟/RF 设计提供动力，包括频率合成器 (PLL/VCO)、RF 混频器和调制器、高速和高分辨率数据转换器以及精密传感器。 

LDO 设计挑战

一些 IC（例如运算放大器和仪表放大器）以及数据转换器（例如数模转换器 (DAC) 和模数转换器 (ADC)）被称为双极性因为它们需要两个输入电源：一个正极和一个负极。正轨通常由正电压基准供电，或者更好的是，由线性或低压差稳压器供电。负轨传统上由负开关稳压器或逆变器供电。然而，基于电感的开关很容易将噪声引入系统。随着负稳压器的出现，使用负 LDO 稳压器为负系统供电轨供电并利用 LDO 稳压器的所有特性（无电感、低噪声、更高 PSRR、快速瞬态响应、防弹保护）已变得有利。 

较旧的老式 LDO 稳压器的 PSRR 和噪声性能要差得多，虽然它们仍可用于创建这些类型的静音电源，但将系统组合在一起需要大量额外的组件、威廉希尔官方网站 板空间和设计时间。这些额外的组件也会根据其特性（寄生电阻等）对功率预算产生不利影响。

对于使用运算放大器、ADC 或其他信号链组件的客户来说，还有另一个具有挑战性的系统性能特性：这些 IC 没有无限的电源抑制能力，更糟糕的是，在高频时电源抑制能力可能会显着降低。过去，这意味着在板上使用额外的过滤组件，从而增加了解决方案的尺寸。此外，如果设计人员试图获得更高的精度，如果稳压器电源噪声过大，可能会导致更多麻烦，这会导致测量场景中出现不必要的变化。

许多符合行业标准的线性稳压器使用单电源执行低压差操作，但大多数无法实现极低电压转换与低输出噪声、宽输入/输出电压范围和广泛保护功能的结合。

PMOS LDO 稳压器实现了压差并在单电源上运行，但在低输入电压下受到传输晶体管的 VGS 特性的限制，并且它们缺乏高性能稳压器提供的许多保护功能。基于 NMOS 的器件提供快速瞬态响应，但需要两个电源来偏置器件。NPN 稳压器提供宽输入和输出电压范围，但它们需要两个电源电压或具有更高的压差。

相比之下，通过适当的设计架构，PNP 稳压器可以实现低压差、高输入电压、低噪声、高 PSRR 和具有防弹保护的极低电压转换，并且所有这些都来自单电源轨。

为获得最佳整体效率，许多高性能模拟和射频威廉希尔官方网站 由 LDO 稳压器供电，后者对开关转换器的输出进行后调节。这需要在 LDO 稳压器的低输入至输出差分下具有高 PSRR 和低输出电压噪声。具有高 PSRR 的 LDO 稳压器可轻松过滤和抑制来自开关输出的噪声，而无需笨重的滤波组件。此外，在宽带宽内具有低输出电压噪声的器件有利于当今的现代电源轨，其中噪声敏感性是一个关键考虑因素。大电流下的低输出电压噪声显然是必须具备的规格。

新型超低噪声、超高 PSRR LDO 稳压器

很明显，解决本文所述问题的 LDO 解决方案应具有以下属性：

非常低的输出噪声

宽频率范围内的高 PSRR

低压差操作

单电源操作（易于使用和轻松的电源排序挑战）

快速瞬态响应时间

在宽输入/输出电压范围内工作

中等输出电流能力

优良的热性能

占地面积小

为满足这些特定需求，ADI 公司推出了其 LT304x 系列超高 PSRR、超低噪声正 LDO 稳压器。最新成员是互补的LT3094，它是一款超低噪声、超高 PSRR 低压差电压 500mA 负线性稳压器。该器件是流行的 500mA LT3045（LT3042用于 200mA）的负版本。

LT3094 的独特设计在 10kHz 时具有仅为 2nV/√Hz 的超低点噪声，在 10Hz 至 100kHz 的宽带宽内具有 0.85µV rms 的集成输出噪声。PSRR 性能卓越：低频 PSRR 在接近 4 kHz 时超过 100 dB，高频 PSRR 在 2 MHz 时超过 70 dB，可降低噪声或高纹波输入电源。

LT3094 采用专有的 LDO 架构：一个精密电流源基准，后跟一个高性能单位增益缓冲器，从而实现了几乎恒定的带宽、噪声、PSRR 和负载调节性能，而与输出电压无关。此外，这种架构允许多个 LT3094 并联，以进一步降低噪声、增加输出电流并在印刷威廉希尔官方网站 板 (PCB) 上散布热量。

LT3094 在 –2V 至 –20V 的宽输入电压范围内提供高达 500mA 的输出电流和 230mV 的压差。输出电压范围为 0 V 至 –19.5 V，输出电压容差在整个线路、负载和温度范围内具有 ±2% 的高精度。该器件的宽输入和输出电压范围、高带宽、高 PSRR 和超低噪声性能是为 PLL、VCO、混频器和 LNA 等噪声敏感应用供电的理想选择；极低噪声仪器，例如测试和测量以及高速/高精度数据转换器；医疗应用，例如成像和诊断以及精密电源；和用于开关电源的后置稳压器。

LT3094 采用一个小型、低成本、10µF 陶瓷输出电容器工作，该电容器优化了稳定性和瞬态响应。单个电阻器对外部精密电流限制（±10% 过温）进行编程。该器件的 VIOC 引脚控制上游稳压器，以最大限度地降低功耗并优化 PSRR。单个 SET 引脚电容器可降低输出噪声并提供参考软启动功能，防止开启时输出电压过冲。此外，该器件的内部保护威廉希尔官方网站 包括带折返的内部电流限制和带迟滞的热限制。其他特性包括快速启动能力（在使用大值 SET 引脚电容器时很有用）和电源良好标志（业界第一个具有此功能的负 LDO 稳压器）具有可编程阈值以指示输出电压调节。  

图 1：LT3094 典型应用原理图和特性。

LT3094 采用耐热增强型 12 引线、3 × 3mm DFN 和 MSOP 封装，两者均具有紧凑的占板面积。E 级和 I 级版本有现货供应，工作结温为 –40°C 至 125°C。

LT3094 需要一个输出电容器以实现稳定性。鉴于其高带宽，建议使用低等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL) 陶瓷电容器。稳定性需要最小 10µF 的输出电容，ESR 低于 30mΩ，ESL 低于 1.5nH。考虑到使用单个 10µF 陶瓷输出电容器获得的高 PSRR 和低噪声性能，较大的输出电容器值只会略微提高性能，因为稳压器带宽会随着输出电容的增加而降低 - 因此，通过使用大于最小 10µF 输出电容。尽管如此，较大的输出电容值确实会降低负载瞬态期间的峰值输出偏差。  

图 2：LT3094 PSRR 性能。

图 3：LT3094 输出噪声性能。

并行设备的好处

通过并联多个 LT3094 可获得更高的输出电流。将所有 SET 引脚和所有 IN 引脚连接在一起。使用小块 PCB 走线（用作镇流电阻器）将 OUT 引脚连接在一起，以均衡 LT3094 中的电流。还可以并联两个以上的 LT3094，以实现更高的输出电流和更低的输出噪声。输出噪声降低与并联设备数量的平方根成正比。并联多个 LT3094 也有助于在 PCB 上分布热量。对于具有高输入至输出电压差的应用，输入串联电阻器或与 LT3094 并联的电阻器也可用于散热。 并联威廉希尔官方网站 实现见图4 。

图 4：LT3094 并联运行。

表 1 显示了 ADI 超高 PSRR、超低噪声 LDO 稳压器系列的成员。

结论

正 200mA LT3042、500mA LT3045 以及现在的新型互补 LT3094 500mA 负 LDO 提供了突破性的噪声和 PSRR 性能。这些特性，再加上其宽电压范围、低压差、广泛的保护功能/稳健性和易用性，使其非常适合为测试和测量或医学成像系统中的噪声敏感双极正/负轨供电。凭借其当前基于基准的架构，噪声和 PSRR 性能保持独立于输出电压。此外，多个器件可以直接并联，以进一步降低输出噪声、增加输出电流并在 PCB 上散布热量。LT3042、LT3045 和 LT3094 在提高应用性能的同时节省了时间和成本。

　　审核编辑：汤梓红