線性穩(wěn)壓器集成電路(IC)將電壓從較高電平降至較低電平,，且無需電感,。低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器,，其壓差（需要保持穩(wěn)壓的輸入和輸出電壓之間的差值）通常低于400 mV。早期的線性穩(wěn)壓器設計提供大約1.3 V的壓差,，這意味著對于5 V的輸入電壓，器件進行調(diào)節(jié)可實現(xiàn)的最大輸出僅為3.7 V左右,。然而,，在當今更復雜的設計技術(shù)和晶圓制造工藝條件下，“低”大致定義為<100mV到300mV左右,。
此外,，雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一,，但從成本/效益角度來說，它往往是最有價值的元件之一,。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外,，LDO穩(wěn)壓器的另一個關(guān)鍵任務是保護昂貴的后端負載免受惡劣環(huán)境條件的影響，例如電壓瞬變,、電源噪聲,、反向電壓、電流浪涌等,。簡而言之,，其設計必須堅固耐用，包括所有的保護功能,，以抑制在保護負載的同時由環(huán)境帶來的性能影響,。許多低成本的LDO線性穩(wěn)壓器因沒有必要的保護功能而失效，不僅會對穩(wěn)壓器本身造成損害,，而且還會損壞后端負載,。
LDO穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的比較
低壓降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)可以通過各種方法來實現(xiàn)。
開關(guān)穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內(nèi)高效工作,，但需要外部元件（如電感和電容）才能工作,，因此占用的電路板面積相對較大。無電感電荷泵（或開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器）也可用來實現(xiàn)更低的電壓轉(zhuǎn)換,，并且通常工作效率更高（取決于轉(zhuǎn)換區(qū)域）,，但輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能較差,，并且與線性穩(wěn)壓器相比,，需要更多的外部元件。
新一代高電流,、低電壓的快速數(shù)字IC（如FPGA,、DSP、CPU,、GPU和ASIC）對內(nèi)核和I/O通道供電電源提出了更嚴格的要求,。過去，由于電荷泵不能提供足夠的輸出電流和瞬態(tài)響應,，因此這些器件一直采用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器供電,。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問題,，有時它們的瞬態(tài)響應較慢,，并且布局受限。
因此，在這些應用以及其他低壓系統(tǒng)中,，可采用LDO穩(wěn)壓器代替,。得益于近來的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強，LDO穩(wěn)壓器具有更受歡迎的一些性能優(yōu)勢,。
此外,，當涉及對噪聲敏感的模擬/射頻應用（常見于測試和測量系統(tǒng)中，其機器或設備的測量精度需要比被測實體高幾個數(shù)量級）時,，相對于開關(guān)穩(wěn)壓器,，LDO穩(wěn)壓器通常是首選。低噪聲LDO穩(wěn)壓器為各種模擬/射頻設計供電,，包括頻率合成器(PLL/VCO),、射頻混頻器和調(diào)制器、高分辨率的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及精密傳感器,。然而,，這些應用的靈敏度已經(jīng)達到了傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器的測試極限。例如,，在許多高端VCO中,，電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲（抖動）。此外,，為了滿足整體系統(tǒng)效率的要求，LDO穩(wěn)壓器通常用于對噪聲相對較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進行后級調(diào)節(jié),，因此LDO的高頻電源紋波抑制(PSRR)性能變得至關(guān)重要,。再者，與業(yè)界標準的開關(guān)穩(wěn)壓器相比,，LDO穩(wěn)壓器的噪聲水平可降低兩到三個數(shù)量級,，從mV (rms)范圍降至幾個μV (rms)范圍。
LDO設計挑戰(zhàn)
一些集成電路,，如運算放大器,、儀表放大器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器（如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)），均稱為雙極性,，因為它們需要兩個輸入電源供電：一個正電源和一個負電源,。正供電軌通常由正基準電壓供電，或者是由更好的線性或低壓差穩(wěn)壓器供電,。負供電軌傳統(tǒng)上由負開關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電,。但是，基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng),。隨著負輸出穩(wěn)壓器的出現(xiàn),，負輸出LDO穩(wěn)壓器用于負系統(tǒng)軌供電更具優(yōu)勢，它可以充分利用LDO穩(wěn)壓器的所有特性（無電感、低噪聲,、更高PSRR,、快速瞬態(tài)響應和多重保護）。較舊的老式LDO穩(wěn)壓器PSRR和噪聲性能要差很多,，雖然仍然可以使用它們創(chuàng)建這類低噪聲電源,，但卻需要大量額外的元件、電路板空間,，并花費大量的設計時間才能將系統(tǒng)整合在一起,。這些額外的元件也會 依其特性（如寄生電阻等）對功率預算產(chǎn)生負面影響。
客戶使用運算放大器,、ADC或其他信號鏈元件還將面臨另一個系統(tǒng)性能的難題：這些IC的電源抑制能力有限,，更糟糕的是，高頻時的電源抑制能力可能會顯著降低,。在過去,，這意味著需要在電路板上使用額外的濾波元件，但這會增加解決方案的尺寸,。此外,，如果設計人員試圖獲得更高的精度，一旦穩(wěn)壓器電源噪聲過高,，則可能產(chǎn)生更多麻煩,，這會導致測量場景出現(xiàn)不希望的變化。
許多業(yè)界標準的線性穩(wěn)壓器采用單電壓供電執(zhí)行低壓差工作,，但大多數(shù)無法同時實現(xiàn)低輸出噪聲,，極低電壓轉(zhuǎn)換、寬范圍輸入/輸出電壓以及廣泛的保護功能,。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實現(xiàn)壓降并在單電源下運行,，但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管VGS特性的限制，并且它們不具備高性能穩(wěn)壓器所提供的許多保護功能,?；贜MOS的器件可提供快速瞬態(tài)響應，但它們需要兩個偏置電源為器件供電,。NPN穩(wěn)壓器可提供寬輸入和輸出電壓范圍,，但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下,，通過適當?shù)脑O計架構(gòu),，PNP穩(wěn)壓器可實現(xiàn)低壓差、高輸入電壓,、低噪聲,、高PSRR以及極低的電壓轉(zhuǎn)換,，具有多重保護功能，并且只需單電源軌,。
為了獲得最佳的整體效率,，許多高性能模擬和射頻電路采用LDO穩(wěn)壓器對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進行后級調(diào)節(jié)來供電。這需要在LDO穩(wěn)壓器在輸入至輸出電壓差很小時具有高PSRR和低輸出電壓噪聲,。具有高PSRR的LDO穩(wěn)壓器可以輕松過濾和抑制來自開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出噪聲,，而無需體積龐大的濾波元件。此外,，器件在寬帶寬范圍內(nèi)的低輸出電壓噪聲對當今的供電軌很有好處,，因為噪聲靈敏度是其中的關(guān)鍵考慮因素。高電流時的低輸出電壓噪聲顯然是必備規(guī)格要求,。
新型超低噪聲,、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器
顯然，能夠解決本文所述問題的LDO解決方案應具有以下特性：
極低輸出噪聲
寬頻率范圍內(nèi)的高PSRR
低壓差工作
單電源工作（易于使用,，輕松應對電源時序難題）
快速瞬態(tài)響應時間
在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作
適中的輸出電流能力
出色的散熱性能
緊湊的尺寸
針對這些特定需求,，ADI公司推出了超高PSRR、超低噪聲正輸出LDO穩(wěn)壓器LT304x系列,。最新成員是一款超低噪聲,、超高PSRR的500 mA低壓差負線性穩(wěn)壓器LT3094 。該器件是常用的500 mA LT3045 （LT3042為200 mA）的負輸出版本,。LT3094的獨特設計使其在10 kHz時具有僅2 nV/√Hz的超低點噪聲,，在10 Hz至100 kHz寬帶寬范圍內(nèi)具有0.85μV rms的集成輸出噪聲。其PSRR性能非常出色：接近4 kHz時的低頻PSRR超過100 dB,，2 MHz時的高頻PSRR超過70 dB,，可以消除噪聲或高紋波輸入電源。LT3094采用特殊的LDO架構(gòu)：精密電流源基準后面接著高性能的單位增益緩沖器,，可實現(xiàn)幾乎恒定的帶寬、噪聲PSRR和負載調(diào)整性能,，不受輸出電壓影響,。此外，該架構(gòu)允許多個LT3094并聯(lián),，以進一步降低噪聲,，增加輸出電流，并可在印刷電路板上散熱,。
LT3094在滿負載時以230 mV壓差提供高達500 mA的輸出電流,，可在-2 V至-20 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。輸出電壓范圍為0 V至-19.5 V,，輸出電壓誤差精度高,，線路,、負載和溫度范圍內(nèi)的精度為±2％。該器件具有寬輸入和輸出電壓范圍,、高帶寬,、高PSRR和超低噪聲性能，非常適合為多種應用供電,，包括：噪聲敏感應用（如PLL,、VCO、混頻器和LNA）,；非常低噪聲的儀器儀表,，如測試和測量以及高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；醫(yī)療應用,，如成像和診斷以及精密電源,；以及用于開關(guān)電源的后級調(diào)節(jié)器。
LT3094采用小尺寸,、低成本的10μF陶瓷輸出電容工作,，可優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。利用單個電阻器可編程外部精密電流限值（±10％過溫）,。該器件的VIOC引腳可控制前端穩(wěn)壓器,，以最大限度地降低功耗并優(yōu)化PSRR。單個SET引腳電容可降低輸出噪聲,，并提供基準軟啟動功能,，防止輸出電壓在開啟時過沖。此外,，該器件的內(nèi)部保護電路還包括具有折返功能的內(nèi)部限流和帶遲滯的熱過載,。其他功能包括快速啟動功能（如果使用的SET引腳電容值較大，則非常有用）和電源良好標志（業(yè)界首款具有此功能的負輸出LDO穩(wěn)壓器）,，具有可編程閾值,，用于指示輸出電壓調(diào)節(jié)。
LT3094采用耐熱增強型12引腳,、3 mm×3 mm DFN和MSOP封裝,，尺寸緊湊。E級和I級版本的工作結(jié)溫范圍為-40℃至+125℃,，有現(xiàn)貨供應,。
圖1.LT3094的典型應用原理圖和特性。
LT3094需要一個輸出電容才能保持穩(wěn)定性,。鑒于其高帶寬,，建議使用低ESR和ESL的陶瓷電容。為達到穩(wěn)定性,，要求輸出電容最小值為10μF,，ESR小于30mΩ,，ESL小于1.5 nH。由于使用單個10μF陶瓷輸出電容可獲得高PSRR,、低噪聲性能,，而較大的輸出電容值僅僅略微提高了性能，因為穩(wěn)壓器帶寬隨著輸出電容的增加而降低,，因此,，使用比最小輸出電容值10μF更大的輸出電容并不會獲得多大的收益。盡管如此,，較大的輸出電容值確實會降低負載瞬變期間的峰值輸出偏差,。
器件并聯(lián)的好處
并聯(lián)多個LT3094可獲得更高的輸出電流。將所有SET引腳和所有IN引腳并在一起,。使用小尺寸的PCB走線（用作鎮(zhèn)流電阻）將OUT引腳連接在一起,，以均衡LT3094中的電流。也可以將兩個以上的LT3094進行并聯(lián),，實現(xiàn)更高的輸出電流和更低的輸出噪聲,。輸出噪聲的降低與并聯(lián)器件數(shù)的平方根成比例。并聯(lián)多個LT3094對于在PCB上散熱也很有用,。對于具有高輸入至輸出電壓差的應用,，也可以使用一個輸入串聯(lián)電阻或與LT3094并聯(lián)的電阻進行散熱。圖4所示為并聯(lián)電路實現(xiàn)方案,。
圖2.LT3094 PSRR性能,。
圖3.LT3094輸出噪聲性能。
圖4.LT3094并聯(lián)工作,。
表1所示為ADI的超高PSRR,、超低噪聲系列LDO穩(wěn)壓器的產(chǎn)品成員。
表1.超高PSRR,、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器
結(jié)論
正輸出200 mA LT3042,、500 mA LT3045以及現(xiàn)在的新型互補的負輸出500 mA 的LT3094 LDO具有突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性結(jié)合其寬電壓范圍,、低壓差,、廣泛的保護功能/魯棒性和易用性，使它們非常適合在測試和測量或醫(yī)學成像系統(tǒng)中為噪聲敏感的雙極正/負軌供電,。借助基于電流基準的架構(gòu)，它們的噪聲和PSRR性能不受輸出電壓的影響,。此外,，多個器件可以直接并聯(lián)，以進一步降低輸出噪聲,，增加輸出電流,，并可在PCB上散熱,。LT3042、LT3045和LT3094可在節(jié)省時間和成本的同時提高應用的性能,。
作者簡介
Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門的高級產(chǎn)品營銷工程師,。他負責所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差(LDO)穩(wěn)壓器,、電池充電器,、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動器,、超級電容器充電器,、低壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve在2004年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）之前,，從1990年起曾在Micro Power Systems,、ADI公司和Micrel Semiconductor擔任過多種營銷和產(chǎn)品工程職位。他于1988年獲得圣何塞州立大學電氣工程學士學位,，并于1995年獲得該大學物理學碩士學位,。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學技術(shù)管理碩士學位(MBA),。除了與孩子們一起享受美好時光之外,，Steve還喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車，以及購買,、出售,、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀念品。