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(wú)需電感。低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器是一種特殊類(lèi)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(shè)計(jì)提供大約1.3 V的壓差,，這意味著對(duì)于5 V的輸入電壓，器件進(jìn)行調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)的最大輸出僅為3.7 V左右,。然而，在當(dāng)今更復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō),，它往往是最有價(jià)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(gè)關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的后端負(fù)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(jiǎn)而言之,，其設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固耐用,，包括所有的保護(hù)功能，以抑制在保護(hù)負(fù)載的同時(shí)由環(huán)境帶來(lái)的性能影響,。許多低成本的LDO線性穩(wěn)壓器因沒(méi)有必要的保護(hù)功能而失效,，不僅會(huì)對(duì)穩(wěn)壓器本身造成損害，而且還會(huì)損壞后端負(fù)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(guò)各種方法來(lái)實(shí)現(xiàn),。
開(kāi)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(duì)較大,。無(wú)電感電荷泵（或開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器）也可用來(lái)實(shí)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(duì)內(nèi)核和I/O通道供電電源提出了更嚴(yán)格的要求。過(guò)去,，由于電荷泵不能提供足夠的輸出電流和瞬態(tài)響應(yīng),，因此這些器件一直采用高效的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電。但是,，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問(wèn)題,，有時(shí)它們的瞬態(tài)響應(yīng)較慢，并且布局受限,。
因此,，在這些應(yīng)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(lái)的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng),，LDO穩(wěn)壓器具有更受歡迎的一些性能優(yōu)勢(shì)。
此外,，當(dāng)涉及對(duì)噪聲敏感的模擬/射頻應(yīng)用（常見(jiàn)于測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中,，其機(jī)器或設(shè)備的測(cè)量精度需要比被測(cè)實(shí)體高幾個(gè)數(shù)量級(jí)）時(shí)，相對(duì)于開(kāi)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(shè)計(jì)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(yīng)用的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器的測(cè)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(dòng)）,。此外，為了滿(mǎn)足整體系統(tǒng)效率的要求,，LDO穩(wěn)壓器通常用于對(duì)噪聲相對(duì)較高的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí),，從mV (rms)范圍降至幾個(gè)μV (rms)范圍。
LDO設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
一些集成電路,，如運(yùn)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(chēng)為雙極性,，因?yàn)樗鼈冃枰獌蓚€(gè)輸入電源供電：一個(gè)正電源和一個(gè)負(fù)電源,。正供電軌通常由正基準(zhǔn)電壓供電，或者是由更好的線性或低壓差穩(wěn)壓器供電,。負(fù)供電軌傳統(tǒng)上由負(fù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電,。但是，基于電感的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng),。隨著負(fù)輸出穩(wěn)壓器的出現(xiàn),，負(fù)輸出LDO穩(wěn)壓器用于負(fù)系統(tǒng)軌供電更具優(yōu)勢(shì)，它可以充分利用LDO穩(wěn)壓器的所有特性（無(wú)電感,、低噪聲,、更高PSRR、快速瞬態(tài)響應(yīng)和多重保護(hù)）,。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(lèi)低噪聲電源,，但卻需要大量額外的元件,、電路板空間，并花費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間才能將系統(tǒng)整合在一起,。這些額外的元件也會(huì) 依其特性（如寄生電阻等）對(duì)功率預(yù)算產(chǎn)生負(fù)面影響,。
客戶(hù)使用運(yùn)算放大器、ADC或其他信號(hào)鏈元件還將面臨另一個(gè)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(shí)的電源抑制能力可能會(huì)顯著降低。在過(guò)去,，這意味著需要在電路板上使用額外的濾波元件,，但這會(huì)增加解決方案的尺寸。此外,，如果設(shè)計(jì)人員試圖獲得更高的精度,，一旦穩(wěn)壓器電源噪聲過(guò)高，則可能產(chǎn)生更多麻煩,，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量場(chǎng)景出現(xiàn)不希望的變化,。
許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)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(wú)法同時(shí)實(shí)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(hù)功能,。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)壓降并在單電源下運(yùn)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(hù)功能,。基于NMOS的器件可提供快速瞬態(tài)響應(yīng),，但它們需要兩個(gè)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(gè)電源電壓或具有更高的壓差,。相比之下,，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)架構(gòu)，PNP穩(wěn)壓器可實(shí)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(hù)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(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級(jí)調(diào)節(jié)來(lái)供電,。這需要在LDO穩(wěn)壓器在輸入至輸出電壓差很小時(shí)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(guò)濾和抑制來(lái)自開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出噪聲,，而無(wú)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(duì)當(dāng)今的供電軌很有好處,，因?yàn)樵肼曥`敏度是其中的關(guān)鍵考慮因素,。高電流時(shí)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(wèn)題的LDO解決方案應(yīng)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(yīng)對(duì)電源時(shí)序難題）
快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)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(duì)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(fù)線性穩(wěn)壓器LT3094 ,。該器件是常用的500 mA LT3045 （LT3042為200 mA）的負(fù)輸出版本。LT3094的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其在10 kHz時(shí)具有僅2 nV/√Hz的超低點(diǎn)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(shí)的低頻PSRR超過(guò)100 dB，2 MHz時(shí)的高頻PSRR超過(guò)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(zhǔn)后面接著高性能的單位增益緩沖器,，可實(shí)現(xiàn)幾乎恒定的帶寬、噪聲PSRR和負(fù)載調(diào)整性能,，不受輸出電壓影響,。此外，該架構(gòu)允許多個(gè)LT3094并聯(lián),，以進(jìn)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(mǎn)負(fù)載時(shí)以230 mV壓差提供高達(dá)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(fù)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(yīng)用供電,，包括：噪聲敏感應(yīng)用（如PLL、VCO,、混頻器和LNA）,；非常低噪聲的儀器儀表，如測(cè)試和測(cè)量以及高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,；醫(yī)療應(yīng)用，如成像和診斷以及精密電源,；以及用于開(kāi)關(guān)電源的后級(jí)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(yīng),。利用單個(gè)電阻器可編程外部精密電流限值（±10％過(guò)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(gè)SET引腳電容可降低輸出噪聲，并提供基準(zhǔn)軟啟動(dòng)功能,，防止輸出電壓在開(kāi)啟時(shí)過(guò)沖,。此外，該器件的內(nèi)部保護(hù)電路還包括具有折返功能的內(nèi)部限流和帶遲滯的熱過(guò)載,。其他功能包括快速啟動(dòng)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(biāo)志（業(yè)界首款具有此功能的負(fù)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(qiáng)型12引腳,、3 mm×3 mm DFN和MSOP封裝，尺寸緊湊,。E級(jí)和I級(jí)版本的工作結(jié)溫范圍為-40℃至+125℃,，有現(xiàn)貨供應(yīng)。
圖1.LT3094的典型應(yīng)用原理圖和特性,。
LT3094需要一個(gè)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(dá)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(gè)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?yàn)榉€(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(huì)獲得多大的收益,。盡管如此，較大的輸出電容值確實(shí)會(huì)降低負(fù)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(gè)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(gè)以上的LT3094進(jìn)行并聯(lián)，實(shí)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(gè)LT3094對(duì)于在PCB上散熱也很有用。對(duì)于具有高輸入至輸出電壓差的應(yīng)用,，也可以使用一個(gè)輸入串聯(lián)電阻或與LT3094并聯(lián)的電阻進(jìn)行散熱,。圖4所示為并聯(lián)電路實(shí)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(bǔ)的負(fù)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(hù)功能/魯棒性和易用性,，使它們非常適合在測(cè)試和測(cè)量或醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中為噪聲敏感的雙極正/負(fù)軌供電,。借助基于電流基準(zhǔn)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(gè)器件可以直接并聯(lián)，以進(jìn)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(shí)間和成本的同時(shí)提高應(yīng)用的性能,。
作者簡(jiǎn)介
Steve Knoth是ADI公司Power by Linear部門(mén)的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他負(fù)責(zé)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(dòng)器,、超級(jí)電容器充電器、低壓?jiǎn)纹_(kāi)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(dān)任過(guò)多種營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品工程職位,。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位,，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年,，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時(shí)光之外,，Steve還喜歡玩彈球/街機(jī)游戲或肌肉車(chē),，以及購(gòu)買(mǎi)、出售,、收藏古董玩具和電影/體育/汽車(chē)紀(jì)念品,。