RF電路中LDO電源抑制比和噪聲原理及選擇

本文討論LDO的特點(diǎn)以及RF電路對LDO的電源抑制比和噪聲的選擇。

引言

便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí)，諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，將影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和功率分配。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。帶有使能控制的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是不錯的選擇。

射頻電路的電源要求

大多數(shù)蜂窩電話基帶芯片組射頻電路需要三組電源：以滿足數(shù)字電路、模擬電路和外設(shè)接口電路的需要。基帶處理器的數(shù)字電路供電電壓的典型值為1.8V至2.6V，一般情況下，Li離子電池電壓降至3.2V-3.3V時(shí)電話將被關(guān)閉，LDO至少有500至600mV的壓差，對壓差要求不高。另外，數(shù)字電路本身對LDO的輸出噪聲和PSRR(電源抑制比)的要求也不高，只要求在輕載條件下具有極低的靜態(tài)電流。
基帶處理器內(nèi)部模擬電路供電電壓典型值是2.4V至3.0V，壓差在200mV至600mV。要求LDO具有較高的低頻(GSM電話為217Hz)紋波抑制能力，消除由RF功率放大器產(chǎn)生的電池電壓紋波，同樣需要較低的靜態(tài)電流指標(biāo)。

RF電路的接收和發(fā)送兩部分的供電電壓典型值為2.6V至3.0V，其中低噪聲放大器(LNA)、混頻器、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和中頻(IF)電路需要低噪聲、高PSRR的LDO。實(shí)際應(yīng)用中，VCO、PLL電路的性能直接影響射頻電路指標(biāo)，如發(fā)射頻譜的純度、接收器的選擇性、模擬收發(fā)器的噪聲、數(shù)字電路的相位誤差等。噪聲會改變振蕩器的相頻和幅頻特性，同時(shí)振蕩器環(huán)路也會進(jìn)一步放大噪聲，可能對載波產(chǎn)生調(diào)制。

LDO的噪聲和電源抑制比

LDO是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比。線性穩(wěn)壓器的框圖如圖1所示。

圖1? 線性穩(wěn)壓器框圖

PSRR是反映輸出和輸入頻率相同的條件下，LDO輸出對輸入紋波抑制能力的交流參數(shù)。它和噪聲不同，噪聲通常是指在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)的干擾。PSRR(dB)的表達(dá)式如下：
PSRR=20 log(△Vin/△Vout)?(1)
圖2為SGM2007在 CBP=0.01mF, ILOAD=50mA，COUT=1mF，f=10KHz時(shí)的輸出和輸入的電壓變化曲線。
由式(1)求得PSRR=20 log(△Vin/△Vout)=60(dB)，當(dāng)輸入變化1V時(shí)，輸出變化1mV，可見LDO紋波抑制能力還是很強(qiáng)的。

圖2 線性穩(wěn)壓器輸入和輸出變化

LDO的輸出噪聲受其內(nèi)部設(shè)計(jì)和外部旁路、補(bǔ)償電路的影響。圖1所示，導(dǎo)致LDO輸出噪聲的主要來源是基準(zhǔn)源，由基準(zhǔn)產(chǎn)生的噪聲在輸出端被放大。輸出噪聲Vn的表達(dá)式如下：
Vn=(R1+R2)/R2×Vref?(2)
基準(zhǔn)源旁路電容CBP可影響基準(zhǔn)噪聲，增大旁路電容能夠使基準(zhǔn)噪聲降低。建議使用陶瓷電容的典型值為 470pF 到 0.01mF 。旁路電容會對LDO 輸出電壓上升的速度產(chǎn)生影響，旁路電容值越大，輸出電壓上升速率越慢，在使用時(shí)要注意。

影響LDO輸出噪聲的其它因素還有：LDO內(nèi)部極點(diǎn)、零點(diǎn)和輸出極點(diǎn)及負(fù)載的大小。增大輸出電容的容量或減輕輸出負(fù)載有利于降低高頻輸出噪聲。圖3為旁路電容CBP對SGM2007輸出噪聲的影響。

圖3? 基準(zhǔn)旁路電容對輸出噪聲值的影響

圖4為基準(zhǔn)旁路電容對SGM2007? PSRR影響，可見增大旁路電容會在一定頻率上提高PSRR的值。

圖4? 基準(zhǔn)旁路電容對PSRR值的影響

LDO需要連接外部輸入和輸出電容器。利用較低等效串聯(lián)電阻(ESR)的大容量電容器一般可以全面改善電源PSRR、噪聲以及瞬態(tài)響應(yīng)。 陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)樗膬r(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴而且故障模式是短路而不被采用。輸出電容器的ESR會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10 mΩ量級。采用陶瓷電容時(shí)，建議使用X5R 和X7R電介質(zhì)材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂休^好的溫度穩(wěn)定性。

圖5? 輸出電容對輸出噪聲值的影響

圖5和圖6分別為輸出電容Cout對SGM2007輸出噪聲和PSRR的影響。可見大電容器一般在一定頻率范圍內(nèi)會降低輸出噪聲和提高PSRR值。

圖6? 輸出電容對PSRR值的影響

結(jié)語

為射頻電路選擇LDO時(shí)，要慎重比較噪聲指標(biāo)和PSRR，確保基準(zhǔn)旁路電容、輸出電容和負(fù)載條件一致。圣邦微電子公司的SGM2007低壓差線性穩(wěn)壓器在10Hz至100kHz頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲為30mV(RMS)，在 1 kHz 的頻率下PSRR高達(dá)73dB，它能夠?yàn)橹T如RF接收器和發(fā)送器、壓控振蕩器和音頻放大器等對噪聲敏感的模擬電路的供電提供低噪聲、高電源紋波抑制比和快速瞬態(tài)響應(yīng)。并且SGM2007的輸入電壓在2.5V~5.5V之間，適合藍(lán)牙數(shù)碼相機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理，以及諸如無線和高端音頻產(chǎn)品等單個(gè)鋰電池供電或固定3.3V和5V系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：
1. Maxim應(yīng)用部? 為蜂窩電話設(shè)計(jì)選擇LDO
2. 顏重光? 便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)