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1、前言
要获得干净的直流电源，使用低压降稳压器 (LDO) 过滤由开关模式电源生成的纹波电压并不是需要考量的唯一事项。由于 LDO 为电子器件，它们本身会产生一定量的噪声。要生成不会影响系统性能的干净电源轨，选择低噪声 LDO 并采取措施降低内部噪声是不可缺少的环节。
2、识别噪声
理想的 LDO 将生成没有交流元件的电压轨。可惜的是，LDO 本身也会向其他电子器件一样产生噪声。图 1 所示为这种噪声在时域中的表现。
图 1：含噪声电源的示波器截图
在时域中执行分析十分困难。因此，可通过两种主要方法来查看噪声：跨频率查看噪声和查看积分值形式的噪声。可以使用频谱分析仪识别 LDO 输出端各种交流元件产生的 噪声。图 2 绘制了 1A 低噪声 LDO（即 TPS7A91）的输出噪声。从不同曲线中可以看到，输出噪声（以每平方根赫兹的微伏数表示 [μV/Hz]）集中在频谱的低频端。此噪声主要来自内部基准电压，但也有一部分来自误差放大器、场效应晶体管 (FET) 和电阻分压器。跨频率查看输出噪声有助于确定所关注频率范围的噪声分布。例如，音频应用设计师关注的是人耳的可闻频率（20Hz 到 20kHz），在此范围内，电源噪声可能会降低声音质量。
图 2：TPS7A91 的噪声频谱密度与频率和 VOUT 的关系
数据表一般会提供单一的积分噪声值以与其他产品进行对比。输出噪声的积分范围通常为 10Hz 到 100kHz，并以微伏均方根值 (μVRMS) 表示。（供应商还会在 100Hz 到 100kHz 范围内甚至是自定义频率范围内对噪声进行积分。在选定频率范围内积分有助于屏蔽不希望的噪声属性，因此，除了查看积分噪声值之后，务必要查看噪声曲线。）图 2 显示了与各种曲线对应的积分噪声值。德州仪器 (TI) 提供 LDO 的产品组合，其积分噪声值可低至 3.8μVRMS。
3、降噪
除了选择具有低噪声特性的 LDO，还可以应用一些技术来确保 LDO 具有最低的噪声特性。这些技术涉及到降噪电容器和前馈电容器的使用。
3.1 降噪电容器
TI 产品组合中的许多低噪声 LDO 都具有名为“NR/SS”的特殊引脚，如图 3 所示。
图 3：具有 NR/SS 引脚的 N 沟道金属氧化物半导体 (NMOS) LDO
此引脚具有双重功能：可用于过滤内部电压基准产生的噪声并能降低 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。图 4 显示了此电容器对输出噪声产生的影响。
图 4：TPS7A91 的噪声频谱密度与频率和 CNR/SS 的关系
如图 4 所示，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斜升。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。公式 1 将浪涌电流表示为：
公式 1 Iinrush = (COUT + CLOAD) dV/dt
为减小浪涌电流，必须降低输出电容或转换率。幸运的是，使用 CNR/SS 可降低转换率，如图 5 中的 TPS7A85 启动特性所示。
图 5：TPS7A85 启动时的电压与 CNR/SS 的关系
如图所示，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。降低输出噪声的另一个方法是使用前馈电容器 (CFF)。
3.2 前馈电容器
前馈电容器是与电阻分压器的顶部电阻并联放置的可选电容器，如图 6 所示。
图 6：使用前馈电容器的 NMOS LDO
与添加降噪电容器 (CNR/SS) 非常类似，添加前馈电容器也会产生多种效果。其中最重要的一项是能够改善噪声性能、稳定性、负载响应和电源抑制比 (PSRR)。此外，值得注意的是，使用前馈电容器只有在使用可调 LDO 时才可行，因为电阻网络位于外部。
4、改善噪声性能
在稳压过程中，LDO 的误差放大器使用电阻网络（R1 和 R2）提高基准电压的增益（与同相放大器非常类似），以便相应地驱动 FET 的栅极。基准的直流电压将按因数 1+R1/R2 增大。但是，考虑到误差放大器的带宽，可以预计在基准电压交流元件的某些部分也会放大。通过与顶部电阻并联放置电容器，将为特定频率范围引入分流功能。换句话说，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。（请记住，该频率范围将由所使用的电容器的阻抗特性确定。）从图 7 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。
图 7：TPS7A91 噪声与频率和 CFF 值的关系
5、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)，可分别通过公式 2 和 公式 3 进行计算：
公式 2 ：ZFF = 1 / (2 x π x R1 x CFF )
公式 3：PFF = 1 / (2 x π x R1 // R 2 x CFF )
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 8 所示。
图 8：仅使用前馈补偿的典型 LDO 的增益/相位图
从图中可以看到，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。
6、提高 PSRR
根据零点和极点的位置，还可以从策略上缩减增益衰减幅度。图 8 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 9。
图 9：TPS7A8300 PSRR 与频率和 CFF 值的关系
如图所示，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。遵循数据表中规定的 CFF 限制，可以防止出现不稳定性。表 1 列出了一些经验法则，展示了 CNR 和 CFF 对噪声的影响程度。
从表中可以看出，添加前馈电容器可以改善噪声性能、稳定性、负载响应和 PSRR。当然，必须慎重选择电容器以保持稳定性。当与降噪电容器配合使用时，可以大大改善交流性能。本文仅仅介绍了需要牢记的一些方法，可以帮助用户优化电源。