RF电路中LDO电源抑制比和噪声原理及选择

本文讨论LDO的特点以及RF电路对LDO的电源抑制比和噪声的选择。

引言

便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，将影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。带有使能控制的低压差线性稳压器(LDO)是不错的选择。

射频电路的电源要求

大多数蜂窝电话基带芯片组射频电路需要三组电源：以满足数字电路、模拟电路和外设接口电路的需要。基带处理器的数字电路供电电压的典型值为1.8V至2.6V，一般情况下，Li离子电池电压降至3.2V-3.3V时电话将被关闭，LDO至少有500至600mV的压差，对压差要求不高。另外，数字电路本身对LDO的输出噪声和PSRR(电源抑制比)的要求也不高，只要求在轻载条件下具有极低的静态电流。
基带处理器内部模拟电路供电电压典型值是2.4V至3.0V，压差在200mV至600mV。要求LDO具有较高的低频(GSM电话为217Hz)纹波抑制能力，消除由RF功率放大器产生的电池电压纹波，同样需要较低的静态电流指标。

RF电路的接收和发送两部分的供电电压典型值为2.6V至3.0V，其中低噪声放大器(LNA)、混频器、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和中频(IF)电路需要低噪声、高PSRR的LDO。实际应用中，VCO、PLL电路的性能直接影响射频电路指标，如发射频谱的纯度、接收器的选择性、模拟收发器的噪声、数字电路的相位误差等。噪声会改变振荡器的相频和幅频特性，同时振荡器环路也会进一步放大噪声，可能对载波产生调制。

LDO的噪声和电源抑制比

LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器，它具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比。线性稳压器的框图如图1所示。

图1  线性稳压器框图

PSRR是反映输出和输入频率相同的条件下，LDO输出对输入纹波抑制能力的交流参数。它和噪声不同，噪声通常是指在10Hz至100kHz频率范围内的干扰。PSRR(dB)的表达式如下：
PSRR=20 log(△Vin/△Vout) (1)
图2为SGM2007在 CBP=0.01mF, ILOAD=50mA，COUT=1mF，f=10KHz时的输出和输入的电压变化曲线。
由式(1)求得PSRR=20 log(△Vin/△Vout)=60(dB)，当输入变化1V时，输出变化1mV，可见LDO纹波抑制能力还是很强的。

图2 线性稳压器输入和输出变化

LDO的输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。图1所示，导致LDO输出噪声的主要来源是基准源，由基准产生的噪声在输出端被放大。输出噪声Vn的表达式如下：
Vn=(R1+R2)/R2×Vref (2)
基准源旁路电容CBP可影响基准噪声，增大旁路电容能够使基准噪声降低。建议使用陶瓷电容的典型值为 470pF 到 0.01mF 。旁路电容会对LDO 输出电压上升的速度产生影响，旁路电容值越大，输出电压上升速率越慢，在使用时要注意。

影响LDO输出噪声的其它因素还有：LDO内部极点、零点和输出极点及负载的大小。增大输出电容的容量或减轻输出负载有利于降低高频输出噪声。图3为旁路电容CBP对SGM2007输出噪声的影响。

图3  基准旁路电容对输出噪声值的影响

图4为基准旁路电容对SGM2007  PSRR影响，可见增大旁路电容会在一定频率上提高PSRR的值。

图4  基准旁路电容对PSRR值的影响

LDO需要连接外部输入和输出电容器。利用较低等效串联电阻(ESR)的大容量电容器一般可以全面改善电源PSRR、噪声以及瞬态响应。 陶瓷电容器通常是首选，因为它的价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵而且故障模式是短路而不被采用。输出电容器的ESR会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为10 mΩ量级。采用陶瓷电容时，建议使用X5R 和X7R电介质材料，这是因为它们具有较好的温度稳定性。

图5  输出电容对输出噪声值的影响

图5和图6分别为输出电容Cout对SGM2007输出噪声和PSRR的影响。可见大电容器一般在一定频率范围内会降低输出噪声和提高PSRR值。

图6  输出电容对PSRR值的影响

结语

为射频电路选择LDO时，要慎重比较噪声指标和PSRR，确保基准旁路电容、输出电容和负载条件一致。圣邦微电子公司的SGM2007低压差线性稳压器在10Hz至100kHz频率范围内的输出噪声为30mV(RMS)，在 1 kHz 的频率下PSRR高达73dB，它能够为诸如RF接收器和发送器、压控振荡器和音频放大器等对噪声敏感的模拟电路的供电提供低噪声、高电源纹波抑制比和快速瞬态响应。并且SGM2007的输入电压在2.5V~5.5V之间，适合蓝牙数码相机和个人数字助理，以及诸如无线和高端音频产品等单个锂电池供电或固定3.3V和5V系统。

参考文献：
1. Maxim应用部  为蜂窝电话设计选择LDO
2. 颜重光  便携产品电源芯片的应用技术