详解一款负LDO稳压器 - 超低输出噪声和超高PSRR

低压差(LDO)线性稳压器广泛应用于噪声敏感型应用已有数十年了。然而，随着最新的精密传感器、高速和高分辨率数据转换器(ADC和DAC)以及频率合成器(PLL/VCO)不断向传统的 LDO稳压器提出挑战，以产生超低输出噪声和超高电源纹波抑制(PSRR)，噪声要求变得越来越难以满足。

有几个因素决定了线性稳压器的PSRR。其中包括内部控制环路的开环增益、误差放大器的带宽、单位增益频率、输出电流、输出电容的有效串联电阻(ESR)和温度效应。由于 LT3042 已经包括一个内部调整管并具有一个预先确定的调节环路，因此其中几个参数已经固定。我们能做的是调整PNP和NPN电路以优化电路的性能。

例如，在为传感器供电时，电源噪声会直接影响测量结果的准确性。开关稳压器通常用于配电系统，以实现更高的整体系统效率。为了构建低噪声电源，LDO稳压器通常会对噪声相对较高的开关转换器的输出进行后级调节，而无需使用庞大的输出滤波电容。LDO稳压器的高频PSRR性能变得至关重要。

ADI推出的LT3042是业界首款在1MHz下仅有0.8μV rms输出噪声和79dB PSR的线性稳压器。两款类似的器件LT3045和LT3045-1可提供更高的额定值和附加功能。所有这些器件都是正LDO稳压器。当系统具有双极性器件 (例如运算放大器或ADC)时，必须在极性电源设计中使用负LDO稳压器。LT3094是首款具有超低输出噪声和超高PSRR的负LDO稳压器。表1列出了LT3094及相关器件的主要特性。

表 1. LT3094 和低噪声 LDO 的特性

典型应用

LT3094具有精密电流源基准，后接高性能输出缓冲器。负输出电压可通过流过单个电阻的−100µA精密电流源进行设置。这种基于电流基准的架构可提供宽输出电压范围(0V至−19.5V)，并提供几乎恒定的输出噪声、PSRR和负载调节，与设置的输出电压无关。图1显示了一个典型应用，演示板如图2所示。整体解决方案尺寸大约仅为10mm×10mm。

图 1. −3.3 V 输出低噪声解决方案。

图 2. 演示电路显示了一个 −3.3 V 微型解决方案。

LT3094具有超低输出噪声，在10Hz至100kHz范围内为0.8µVrms，并且在1MHz时具有74dB超高PSRR。此外，LT3094具有可编程电流限制、可编程电源良好阈值、快速启动功能和可编程输入至输出电压控制 (VIOC)。当 LT3094对开关转换器进行后级调节时，如果LDO稳压器输出电压可变，LDO稳压器两端的电压将通过VIOC功能保持恒定。

LT3094通过内部保护功能避免器件损坏，包括具有折返功能的内部限流、热限制、反向电流和反向电压保护。

直接并联实现更高的电流

LT3094可以轻松并联以增加输出电流。图3显示了使用两个并联的 LT3094实现1A输出电流的解决方案。为了使两个器件并联，将SET引脚连接在一起，并在SET引脚和地之间放置一个SET电阻RSET。流过RSET的电流为200µA，是单个器件中SET电流量的两倍。为了获得良好的均流特性，LT3094的每个输出都使用一个20mΩ的小镇流电阻。

图 3. 两个并联 LT3094 的原理图。

图4显示了图3中电路的热性能，其中输入电压为−5V，输出电压为−3.3V，运行于1A负载电流下。每个器件的温度大约升至50°C，表明热量均匀分布。对于更高输出电流和更低输出噪声，可以并联的器件数量没有限制。

图 4. 两个并联 LT3094 的热图像。

具有可变输出电压的正负双电源

电源通常配置由LDO稳压器进行后级调节的开关转换器，以实现低输出噪声和高系统效率。为了在功耗和PSRR之间保持适当的权衡，LDO稳压器的输入和输出之间的优化电压差约为−1V。在可变输出电压系统中保持这种电压差很复杂，但LT3094具有跟踪功能VIOC，即使输出电压变化，它也能在LDO稳压器两端保持电压恒定。

图5是使用LT8582、LT3045-1和LT3094的双电源原理图。LT8582是一款具有内置开关的双通道PWM DC/DC转换器，能够从单个输入产生正输出和负输出。LT8582的第一个通道配置为SEPIC用于产生正输出，第二个通道是反相转换器用于产生负电源轨。在负电源轨中，LT3094两端的电压由VIOC电压控制

图 5. 可调节的双输出正/负电源具有高纹波抑制和低温运行性能。

其中VFBX2为0mV，IFBX为83.3µA。将R2设置为14.7kΩ，则对于可变输出电压可将VIOC电压设置为1.23V。电阻R1为133kΩ时，将LT3094的输入电压限制为16.5V，则计算如下：

电路在12V输入下运行的热图像如图6所示。当输出电压从±3.3V变化至 ±12V时，LT3094的温升保持不变。表2列出了所有三款器件的电压和电流。图7显示了在12V输入下的±5V电源瞬态响应。

图 6. 12 V 输入下的双电源热图像。

图 7. 12 V 输入、±5 V 输出下的双电源瞬态响应。

表 2. 12 V 输入、±500 mA 负载下的双输出正/负电源的电路性能

图5中，除了LT8582的输出电容之外，在LT3094的输入端未放置额外电容。通常，输入电容会降低输出纹波，但对LT3094来说并非如此。如果LT3094具有输入电容，则开关转换器的开关电流将流过输入电容，从而导致开关转换器与LT3094输出的电磁耦合。输出噪声会增加，从而使PSRR降低。如果开关稳压器位于具LT3094两英寸的范围以内，为了获得最佳的PSRR性能，我们建议不要在LT3094的输入端放置电容。

结论

LT3094是一款具有超低噪声和超高PSRR的负LDO稳压器。它采用基于电流基准的架构，可使噪声和PSRR性能独立于输出电压，多个LT3094可以轻松并联，以增加负载电流并降低输出噪声。当LT3094用于对开关转换器进行后置调节时，VIOC功能可以最大限度地降低LDO稳压器的功耗，使其成为可变输出电压应用的理想选择。