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、电路板空间和设计时间。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电路由 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电路板 (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，该器件的内部保护电路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。 并联电路实现见图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