盡管 LDO 穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的組件之一，但從成本/收益角度來看，它通常是最有價(jià)值的組件之一。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外，LDO 穩(wěn)壓器的另一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的下游負(fù)載免受電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等惡劣環(huán)境條件的影響。

簡而言之，它的設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固耐用，并包含在保護(hù)負(fù)載的同時(shí)吸收環(huán)境懲罰所需的所有保護(hù)功能。許多低成本 LDO 線性穩(wěn)壓器沒有必要的保護(hù)功能，因此會(huì)出現(xiàn)故障，不僅會(huì)損壞穩(wěn)壓器本身，還會(huì)損壞下游負(fù)載。

LDO 穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器

可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)低壓降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。

當(dāng)今一代快速、高電流、低電壓的數(shù)字 IC，如 FPGA、DSP、CPU、GPU 和 ASIC，對(duì)為內(nèi)核和 I/O 通道供電的電源提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)上，由于電荷泵缺乏必要的輸出電流和瞬態(tài)響應(yīng)，因此已使用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器為這些設(shè)備供電。然而，切換器存在潛在的噪聲干擾問題，有時(shí)它們具有緩慢的瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制。

因此，LDO 穩(wěn)壓器是這些應(yīng)用以及其他低壓系統(tǒng)的替代方案。由于最近的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng)，LDO 穩(wěn)壓器提供了一些性能優(yōu)勢(shì)，使其更受歡迎。

此外，在為噪聲敏感的模擬/RF 應(yīng)用供電時(shí)（通常在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，其中機(jī)器或設(shè)備的測(cè)量精度需要比被測(cè)量實(shí)體好幾個(gè)數(shù)量級(jí)），LDO穩(wěn)壓器通常比其開關(guān)對(duì)應(yīng)物更受歡迎。低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為各種模擬/RF 設(shè)計(jì)提供動(dòng)力，包括頻率合成器 (PLL/VCO)、RF 混頻器和調(diào)制器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及精密傳感器。?

LDO 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

一些 IC（例如運(yùn)算放大器和儀表放大器）以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)）被稱為雙極性因?yàn)樗鼈冃枰獌蓚€(gè)輸入電源：一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極。正軌通常由正電壓基準(zhǔn)供電，或者更好的是，由線性或低壓差穩(wěn)壓器供電。負(fù)軌傳統(tǒng)上由負(fù)開關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電。然而，基于電感的開關(guān)很容易將噪聲引入系統(tǒng)。隨著負(fù)穩(wěn)壓器的出現(xiàn)，使用負(fù) LDO 穩(wěn)壓器為負(fù)系統(tǒng)供電軌供電并利用 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(yīng)、防彈保護(hù)）已變得有利。?

較舊的老式 LDO 穩(wěn)壓器的 PSRR 和噪聲性能要差得多，雖然它們?nèi)钥捎糜趧?chuàng)建這些類型的靜音電源，但將系統(tǒng)組合在一起需要大量額外的組件、電路板空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。這些額外的組件也會(huì)根據(jù)其特性（寄生電阻等）對(duì)功率預(yù)算產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于使用運(yùn)算放大器、ADC 或其他信號(hào)鏈組件的客戶來說，還有另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)性能特性：這些 IC 沒有無限的電源抑制能力，更糟糕的是，在高頻時(shí)電源抑制能力可能會(huì)顯著降低。過去，這意味著在板上使用額外的過濾組件，從而增加了解決方案的尺寸。此外，如果設(shè)計(jì)人員試圖獲得更高的精度，如果穩(wěn)壓器電源噪聲過大，可能會(huì)導(dǎo)致更多麻煩，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量場(chǎng)景中出現(xiàn)不必要的變化。

許多符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器使用單電源執(zhí)行低壓差操作，但大多數(shù)無法實(shí)現(xiàn)極低電壓轉(zhuǎn)換與低輸出噪聲、寬輸入/輸出電壓范圍和廣泛保護(hù)功能的結(jié)合。

PMOS LDO 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了壓差并在單電源上運(yùn)行，但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管的 VGS 特性的限制，并且它們?nèi)狈Ω咝阅芊€(wěn)壓器提供的許多保護(hù)功能?；?NMOS 的器件提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但需要兩個(gè)電源來偏置器件。NPN 穩(wěn)壓器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，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)架構(gòu)，PNP 穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高 PSRR 和具有防彈保護(hù)的極低電壓轉(zhuǎn)換，并且所有這些都來自單電源軌。

為獲得最佳整體效率，許多高性能模擬和射頻電路由 LDO 穩(wěn)壓器供電，后者對(duì)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后調(diào)節(jié)。這需要在 LDO 穩(wěn)壓器的低輸入至輸出差分下具有高 PSRR 和低輸出電壓噪聲。具有高 PSRR 的 LDO 穩(wěn)壓器可輕松過濾和抑制來自開關(guān)輸出的噪聲，而無需笨重的濾波組件。此外，在寬帶寬內(nèi)具有低輸出電壓噪聲的器件有利于當(dāng)今的現(xiàn)代電源軌，其中噪聲敏感性是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。大電流下的低輸出電壓噪聲顯然是必須具備的規(guī)格。

新型超低噪聲、超高 PSRR LDO 穩(wěn)壓器

很明顯，解決本文所述問題的 LDO 解決方案應(yīng)具有以下屬性：

非常低的輸出噪聲

寬頻率范圍內(nèi)的高 PSRR

低壓差操作

單電源操作（易于使用和輕松的電源排序挑戰(zhàn)）

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

中等輸出電流能力

優(yōu)良的熱性能

占地面積小

為滿足這些特定需求，ADI 公司推出了其 LT304x 系列超高 PSRR、超低噪聲正 LDO 穩(wěn)壓器。最新成員是互補(bǔ)的LT3094，它是一款超低噪聲、超高 PSRR 低壓差電壓 500mA 負(fù)線性穩(wěn)壓器。該器件是流行的 500mA LT3045（LT3042用于 200mA）的負(fù)版本。

LT3094 的獨(dú)特設(shè)計(jì)在 10kHz 時(shí)具有僅為 2nV/√Hz 的超低點(diǎn)噪聲，在 10Hz 至 100kHz 的寬帶寬內(nèi)具有 0.85μV rms 的集成輸出噪聲。PSRR 性能卓越：低頻 PSRR 在接近 4 kHz 時(shí)超過 100 dB，高頻 PSRR 在 2 MHz 時(shí)超過 70 dB，可降低噪聲或高紋波輸入電源。

LT3094 采用專有的 LDO 架構(gòu)：一個(gè)精密電流源基準(zhǔn)，后跟一個(gè)高性能單位增益緩沖器，從而實(shí)現(xiàn)了幾乎恒定的帶寬、噪聲、PSRR 和負(fù)載調(diào)節(jié)性能，而與輸出電壓無關(guān)。此外，這種架構(gòu)允許多個(gè) LT3094 并聯(lián)，以進(jìn)一步降低噪聲、增加輸出電流并在印刷電路板 (PCB) 上散布熱量。

LT3094 在 –2V 至 –20V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 500mA 的輸出電流和 230mV 的壓差。輸出電壓范圍為 0 V 至 –19.5 V，輸出電壓容差在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)具有 ±2% 的高精度。該器件的寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高 PSRR 和超低噪聲性能是為 PLL、VCO、混頻器和 LNA 等噪聲敏感應(yīng)用供電的理想選擇；極低噪聲儀器，例如測(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，例如成像和診斷以及精密電源；和用于開關(guān)電源的后置穩(wěn)壓器。

LT3094 采用一個(gè)小型、低成本、10μF 陶瓷輸出電容器工作，該電容器優(yōu)化了穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。單個(gè)電阻器對(duì)外部精密電流限制（±10% 過溫）進(jìn)行編程。該器件的 VIOC 引腳控制上游穩(wěn)壓器，以最大限度地降低功耗并優(yōu)化 PSRR。單個(gè) SET 引腳電容器可降低輸出噪聲并提供參考軟啟動(dòng)功能，防止開啟時(shí)輸出電壓過沖。此外，該器件的內(nèi)部保護(hù)電路包括帶折返的內(nèi)部電流限制和帶遲滯的熱限制。其他特性包括快速啟動(dòng)能力（在使用大值 SET 引腳電容器時(shí)很有用）和電源良好標(biāo)志（業(yè)界第一個(gè)具有此功能的負(fù) LDO 穩(wěn)壓器）具有可編程閾值以指示輸出電壓調(diào)節(jié)。 ?

圖 1：LT3094 典型應(yīng)用原理圖和特性。

LT3094 采用耐熱增強(qiáng)型 12 引線、3 × 3mm DFN 和 MSOP 封裝，兩者均具有緊湊的占板面積。E 級(jí)和 I 級(jí)版本有現(xiàn)貨供應(yīng)，工作結(jié)溫為 –40°C 至 125°C。

LT3094 需要一個(gè)輸出電容器以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，建議使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL) 陶瓷電容器。穩(wěn)定性需要最小 10μF 的輸出電容，ESR 低于 30mΩ，ESL 低于 1.5nH。考慮到使用單個(gè) 10μF 陶瓷輸出電容器獲得的高 PSRR 和低噪聲性能，較大的輸出電容器值只會(huì)略微提高性能，因?yàn)榉€(wěn)壓器帶寬會(huì)隨著輸出電容的增加而降低 - 因此，通過使用大于最小 10μF 輸出電容。盡管如此，較大的輸出電容值確實(shí)會(huì)降低負(fù)載瞬態(tài)期間的峰值輸出偏差。 ?

圖 2：LT3094 PSRR 性能。

圖 3：LT3094 輸出噪聲性能。

并行設(shè)備的好處

通過并聯(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 引腳連接在一起。使用小塊 PCB 走線（用作鎮(zhèn)流電阻器）將 OUT 引腳連接在一起，以均衡 LT3094 中的電流。還可以并聯(lián)兩個(gè)以上的 LT3094，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲降低與并聯(lián)設(shè)備數(shù)量的平方根成正比。并聯(lián)多個(gè) LT3094 也有助于在 PCB 上分布熱量。對(duì)于具有高輸入至輸出電壓差的應(yīng)用，輸入串聯(lián)電阻器或與 LT3094 并聯(lián)的電阻器也可用于散熱。 并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)見圖4 。

圖 4：LT3094 并聯(lián)運(yùn)行。

表 1 顯示了 ADI 超高 PSRR、超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器系列的成員。

結(jié)論

正 200mA LT3042、500mA LT3045 以及現(xiàn)在的新型互補(bǔ) LT3094 500mA 負(fù) LDO 提供了突破性的噪聲和 PSRR 性能。這些特性，再加上其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護(hù)功能/穩(wěn)健性和易用性，使其非常適合為測(cè)試和測(cè)量或醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中的噪聲敏感雙極正/負(fù)軌供電。憑借其當(dāng)前基于基準(zhǔn)的架構(gòu)，噪聲和 PSRR 性能保持獨(dú)立于輸出電壓。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、增加輸出電流并在 PCB 上散布熱量。LT3042、LT3045 和 LT3094 在提高應(yīng)用性能的同時(shí)節(jié)省了時(shí)間和成本。

　　審核編輯：湯梓紅