C抵銷放大參考噪聲
本小節(jié)介紹一種實(shí)現(xiàn)最小輸出噪聲配置的有效方法。如圖 7 所示,一個前饋電容器 CFF 向前傳送(繞開)R1 周圍的輸出噪聲。這種繞開或者短路做法,可防止在高于 R1 和CFF 諧振頻率 fResonant時參考噪聲因誤差放大器增益而增加,其中:
輸出噪聲變?yōu)椋?/span>
圖 8 顯示了RMS噪聲相對于前饋電容 (CFF) 和不同輸出電壓設(shè)置的變化。請注意,每個 RMS 圖線上各點(diǎn)代表上述電路狀態(tài)下整個給定帶寬的完整噪聲統(tǒng)計平均數(shù)。正如我們預(yù)計的那樣,所有曲線朝 30 μVRMS 左右的最小輸出噪聲匯集;換句話說,由于 CFF 效應(yīng),噪聲匯聚于 VN(REF) + VN(Other)。
圖 8 前饋電容對噪聲的影響
圖 8 對此進(jìn)行了描述。CFF 值大于 100nF時,方程式 8 中1 + R1/R2 的放大器增益被抵銷掉。出現(xiàn)這種情況的原因是,盡管低頻噪聲未被 CFF 完全抵銷,但是低頻噪聲對 RMS 計算的總統(tǒng)計平均數(shù)影響不大。為了觀察 CFF 的實(shí)際效果,我們必需查看噪聲電壓的實(shí)際頻譜密度圖(圖9)。圖9表明,CFF=10μF 曲線的噪聲最小,但是某些頻率以上時所有曲線均接近于這條最小噪聲曲線。這些頻率相當(dāng)于由 R1 和CFF 值決定的諧振極點(diǎn)頻率。R1等于31.6 k? 時計算得到的 CFF值,請參見表 2。
表 2 計算得諧振頻率
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CFF=10pF
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CFF=1nF
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CFF=100nF
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CFF=10μF
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fResonant
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504kHz
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504kHz
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504kHz
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504kHz
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圖 9 表明,50Hz 附近時,CFF=100 nF 曲線轉(zhuǎn)降。5 kHz 附近時,CFF=1 nF 曲線轉(zhuǎn)降,但是 CFF=10 pF 時諧振頻率受 LDO噪聲總內(nèi)部效應(yīng)影響。通過觀察圖 9,我們后面均假設(shè) CFF=10μF 最小噪聲。
降噪 (NR) 引腳的效果
在 NR 引腳和接地之間使用 RC 濾波器電容(CNR)時,GRC 下降。圖 10 表明 RMS噪聲為 CNR 的函數(shù)(參見圖 5)。稍后,我們將在第三段“其它技術(shù)考慮因素”中說明這兩條曲線的差異。
圖 10 利用 10Hz 到 100 kHz 更寬融合范圍,來捕捉低頻區(qū)域的性能差異。CNR=1pF 時,兩條曲線表現(xiàn)出非常高的RMS噪聲值。盡管圖 10 沒有顯示,但不管是否 CNR=1pF,都沒有 RMS 噪聲差異。這就是為什么在前面小節(jié)“放大參考噪聲”中,我們把GRC被看作等于 1 的原因。
正如我們預(yù)計的那樣,隨著 CNR 增加,RMS 噪聲下降,并在 CNR=1μF 時朝約12.5 μVRMS 的最小輸出噪聲匯聚。
CFF= 10μF 時,放大器增益(1 + R1/R2)可以忽略不計。因此,方程式 8 可以簡寫為:
正如我們看到的那樣,VN(Other) 并不受 CNR 影響。因此,CNR保持 10.5 μVRMS,其由圖 6 所示數(shù)據(jù)曲線擬合度決定。方程式 10 可以表示為:
接下來,我們要確定 GRC 降噪電容的影響,這一點(diǎn)很重要。圖 10 中曲線的最小測量噪聲,讓我們可以將方程式10改寫為:
其中,求解VN(REF) × GRC 得到 2μVRMS。增加 CNR 會使參考噪聲從19.5μVRMS降至 2 μVRMS,也就是說,在 10 Hz 到 100kHz 頻率范圍,GRC 從整數(shù)降至 0.1 (2/19.5) 平均數(shù)。
圖 11 顯示了CNR 如何降低頻域中的噪聲。與圖 9 所示小 CFF 值一樣,更小的 CNR 開始在高頻起作用。請注意,CNR最大值 1μF 表明最低噪聲。盡管 CNR = 10 Nf 曲線表明最小噪聲幾乎接近于 CNR = 1 μF 的曲線,10-Nf 曲線顯示30Hz 和100Hz 之間有一小塊突出部分。
圖8所示曲線(CNR= 1 pF),可改進(jìn)為圖 12(CNR = 1 μF)。圖 8顯示 CFF = 100 Nf 和CFF = 10 μF 之間幾乎沒有 RMS 噪聲差異,但是圖 12 清楚地顯示出了差異。
圖 12 中,不管輸出電壓是多少,CFF = 10 μF 和 CNR = 1 μF 均帶來最低噪聲值12.5μVRMS,也即最小 GRC 值(換句話說,RC濾波器的最大效果)為 0.1。12.5μVRMS 值為 TI 器件 TPS74401的底限噪聲。
圖 12 噪聲優(yōu)化以后RMS 噪聲與前饋電容的關(guān)系
當(dāng)我們把一個新LDO器件用于噪聲敏感型應(yīng)用時,利用大容量CFF和CNR電容確定這種器件的獨(dú)有本底噪聲是一種好方法。圖12表明RMS噪聲曲線匯聚于本底噪聲值。