微弱信号检测课程设计LDO低输出噪声分析与优化设计.docVIP

LDO低输出噪声的分析与优化设计 1 LDO的典型结构 LDO的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是: (1) 此外,带隙基准电压源( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。 LDO的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为： (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT=10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之需要。20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K温度下的带隙电压，其数值约为1.205V，用Ugo表示。带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。带隙基准电压源的简化电路如下图所示。 2 LDO中内部固有噪声 LDO的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。其中内部固有噪声包括热噪声，散弹噪声，1/f噪声，爆烈噪声。LDO中可以产生这些噪声的元器件有电阻，MOS管，运算放大器。 2.1 电阻热噪声 电阻的热噪声是电阻导体的热骚动产生无规则运动引起的起伏噪声电流的现象。电阻热噪声的特点有：电阻噪声是起伏噪声，其中起伏噪声电流是大量脉冲宽度约(持续时间只有10-13～10-14)的微弱脉冲电流的迭加而成，另外窄脉冲极性、大小和出现时间是随机的。 在高于绝对零度（-273℃或Ok）的任何温度下，物质中的电子都在持续地热运动。由于其运动方向是随机的，任何短时电流都不相关，因此没有可检测到的电流。但是连续的随机运动序列可以导致Johnson噪声或热噪声。每单位带宽内电阻的热噪声功率谱密度函数可以表示为： 式中，K是玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T是温度，以K为单位；R是电阻，以Ω为单位。 下图所示为电阻在25℃时，在50Ω终端电阻上产生的热噪声功率。 2.2 PN结散粒（散弹）噪声 散粒噪声是晶体管的主要噪声源：它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏而造成的。散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关，其功率谱密度函数为： 式中，Io为流过PN结的电流，q为电子电荷量。 由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要决定于发射极工作电流Ie,B为系统的等效噪声带宽，其噪声电流的功率为： 散弹噪声电流的有效值（均方根值）为： 2.3 1/f噪声 1/f噪声是由两种导体接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不良的器件都存在1/f噪声，因此又称接触噪声。电子管中的1/f噪声称为闪烁噪声，电阻中的1/f噪声称为过剩噪声。 1/f噪声功率谱密度函数： 式中，Kf取决于接触面材料类型和几何形状的系数以及流过样品直流电流的系数。 1/f噪声功率谱密度函数坐标图： 线性坐标 对数坐标 电阻1/f噪声功率谱密度函数： 2.4 爆裂噪声 半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。其特点：爆烈噪声脉冲的宽度为几 ms到0.1 s 量级；脉冲的幅度约为；爆烈噪声脉冲出现的几率为每秒几百个到几分钟一个之间。 爆裂噪声的功率谱密度函数： 下图为爆裂噪声波形： 2.5 放大器相关噪声分析 放大器噪声模型： 其中功率谱密度函数： 放大器等效到输入端的噪声模型： 上图中为被测信号电压，Rs为信号源输出电阻，为噪声电压源，和分别为放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电压。 输入端总噪声功率： 放大器的噪声系数： 上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F都会趋向于无穷大。 ： 只有当Rs为最佳源电阻Rso时，噪声系数F才