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摘要
相位噪聲是時鐘、射頻頻綜最為關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一。影響鎖相環(huán)相噪的因素有很多，比如電源、參考源相噪、VCO自身的相噪、環(huán)路濾波器的設(shè)置等。其中，電源引入的低頻噪聲往往對鎖相環(huán)的近端相噪有著很大的影響。對于高性能的時鐘和射頻頻綜產(chǎn)品，為了獲得極低的相噪性能，往往采用低噪聲的LDO供電。然而，采用不同的LDO給頻綜供電，取得的相噪性能往往會有很大差別，同時，LDO外圍電路設(shè)計(jì)也會影響到頻綜的相噪性能。
本文首先簡要地介紹了LDO的噪聲來源及環(huán)路穩(wěn)定性對輸出噪聲的影響;其次，根據(jù)調(diào)頻理論推導(dǎo)出VCO的相位噪聲與LDO的噪聲頻譜密度的理論計(jì)算關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證LDO噪聲對射頻頻綜輸出相噪的影響，分別采用TPS7A8101和TPS74401 LDO評估板給TRF3765射頻頻綜評估板供電，對比測試這兩種情況下的TRF3765相噪曲線;同時，為了驗(yàn)證LDO環(huán)路穩(wěn)定性對頻綜相噪的影響，針對TPS7A8101評估板的參考電路做出部分修改，并對比測試了電路修改前后的TRF3765輸出相噪。
1、LDO噪聲來源及環(huán)路穩(wěn)定性對輸出噪聲影響
1.1 LDO噪聲來源
LDO的噪聲分為LDO內(nèi)部的噪聲和LDO外部的噪聲。LDO內(nèi)部的噪聲來自于內(nèi)部電路的帶隙基準(zhǔn)源，放大器以及晶體管。LDO外部的噪聲來自于輸入。在LDO的手冊中，PSRR是表征LDO抑制外部噪聲的能力，但PSRR高并不代表LDO內(nèi)部噪聲小。LDO的總輸出噪聲才是表征LDO內(nèi)部噪聲抑制的參數(shù)，一般在電氣特性表里用單位?VRMS表示，或者在噪聲頻譜密度圖上表示。
圖2是LDO內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，VN代表等效噪聲源。噪聲源包括帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的噪聲VN (REF)，誤差放大器產(chǎn)生的噪聲VN (AMP)，F(xiàn)ET產(chǎn)生的噪聲VN (FET)以及反饋電阻產(chǎn)生的噪聲VN ( R1)和VN ( R2)。在大多數(shù)情況下，由于帶隙基準(zhǔn)源電路是由很多不同的電阻、晶體管和電容組成，它所產(chǎn)生的噪聲會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋電阻產(chǎn)生的噪聲。而且?guī)痘鶞?zhǔn)源是誤差放大器的輸入，它所產(chǎn)生的噪聲也會經(jīng)由誤差放大器放大來控制FET，所以誤差放大器本身以及FET所產(chǎn)生的噪聲也會比帶隙基準(zhǔn)源的噪聲要低。可以說，LDO內(nèi)部最大的噪聲源就是帶隙基準(zhǔn)源。我們把LDO輸出噪聲VN (OUT)表示為
VN ( Other)是VN ( AMP)以及VN (FET)的和。由公式1可以得出，輸出噪聲最小值出現(xiàn)在R1短接到FB，誤差放大器的增益近似為1的時候。
1.2 LDO噪聲抑制方法
為了抑制帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的噪聲，有三種辦法。
一是降低誤差放大器的帶寬，抑制了帶隙基準(zhǔn)源的高頻噪聲。但是降低帶寬會使LDO的動態(tài)性能降低。
二是在帶隙基準(zhǔn)源和誤差放大器之間加低通濾波。高性能的LDO都會有一個噪聲抑制NR管腳，CNR并聯(lián)在帶隙基準(zhǔn)源和GND之間，起到低通濾波的作用。如圖3所示。
三是在反饋電阻R1上增加前饋電容CFF.在增加了CFF和CNR后，輸出噪聲可以表示為
從式2可以得出，CFF越大，輸出噪聲就越小。頻率越高，輸出噪聲越小。
圖4是不同CFF下的噪聲頻譜密度圖。可以看出，CFF越大，噪聲從低頻開始都能被很好的抑制。CFF太小的時候，抑制噪聲的作用就不太明顯。當(dāng)頻率很高的時候，不管用多大的CFF，噪聲頻譜密度相差不會太大。所以，增加合適的前饋電容CFF，對改善LDO低頻噪聲有非常好的效果。
1.3 LDO環(huán)路穩(wěn)定性與輸出噪聲的關(guān)系
從LDO的小信號分析可以看出，LDO有兩個低頻極點(diǎn)，如果沒有合適的零點(diǎn)補(bǔ)償，LDO的穩(wěn)定裕度不夠，就有可能產(chǎn)生震蕩。穩(wěn)定裕度不夠的LDO產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲會更大。上節(jié)中提到第三種噪聲抑制方法，即增加前饋電容CFF是實(shí)際上為了改善系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。由CFF與R1組成一個低頻零點(diǎn)，
。
由下圖的頻率響應(yīng)可以看出，零點(diǎn)是相位裕度有了很大的提升，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而減小了系統(tǒng)低頻噪聲。
