背景

線性穩(wěn)壓器是無需使用電感器就能實現從較高電壓至較低電壓之降壓的集成電路。低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器，其壓差電壓 (輸入至輸出電壓之間的差異) 必需保持穩(wěn)定，通常低于 400mV。早期的線性穩(wěn)壓器設計提供 ~1.3V 左右的壓差，對于一個 5V 輸入這意味著：為了讓器件處于調節(jié)狀態(tài)，可實現的最大輸出僅為 ~3.7V。最近，“低”壓差被認為是 500mV 或更小。然而，在設計方法和晶圓制造工藝日益精細復雜的今天，“低”壓差通常大約為 <100mV ~ 300mV。

此外，雖然 LDO 在任何給定的系統中都很少是最昂貴的系統組件，但如果以成本 / 優(yōu)勢為出發(fā)點，它卻是最有價值的組件之一。LDO 所承擔的一項任務是保護昂貴的下游負載免遭電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等嚴酷環(huán)境條件的損壞。簡而言之，其設計必須堅固，并包含所需的全部保護功能以在其所處之環(huán)境中 “應付損害” 且同時保護負載。許多低成本 LDO 線性穩(wěn)壓器由于不具備必要的保護功能而發(fā)生故障，常常不僅導致穩(wěn)壓器本身受損，還殃及下游負載。

LDO 與其他穩(wěn)壓器的比較

低電壓降壓轉換和調節(jié)可采用多種方法來實現。開關穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內高效地工作，但是其操作需要借助電感器和電容器等外部組件，因而占用的電路板空間相對較大。另外，也可以使用無電感的充電泵 (或開關電容電壓轉換器) 來實現較低電壓轉換，但是其輸出電流能力有限，瞬態(tài)響應性能不佳，而且與線性穩(wěn)壓器相比所需的外部組件較多。

目前的快速、較高電流、低電壓數字 IC 系列 (例如：FPGA、DSP、CPU、GPU 和 ASIC) 對于向內核和 I/O 通道供電的電源提出了嚴格的要求。傳統上，一直采用高效率的開關穩(wěn)壓器為這些器件供電，但是它們會具有潛在的噪聲干擾問題、以及瞬態(tài)響應和布局上的局限性。因此，LDO 在此類應用及其他低電壓系統中逐漸成為一種替代方案。由于近期的產品創(chuàng)新和功能改善，LDO 擁有了一些使其更合乎用戶需要的性能優(yōu)勢。

再者，當說到向那些對噪聲敏感的模擬 / RF 應用 (例如測試和測量系統中所常見的，在此類系統中機器或設備的測量準確度需要比被測的實體高出幾個數量級) 供電時，人們通常優(yōu)先選擇 LDO，而不是功能相同的開關穩(wěn)壓器。低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器可為眾多的模擬 / RF 設計供電，包括頻率合成器 (PLL / VCO)、RF 混頻器和調制器、高速和高分辨率數據轉換器 (ADC 和 DAC) 以及高精度傳感器。然而，這些應用對于靈敏度的要求已經開始逐步考驗著傳統低噪聲 LDO 的性能極限。例如，在很多高端 VCO 中，電源噪聲直接影響著 VCO 輸出相位噪聲 (抖動)。而且，為了滿足總體系統效率要求，LDO 通常對噪聲相對較高的開關轉換器之輸出實施后置穩(wěn)壓，因此 LDO 的高頻電源紋波抑制 (PSRR) 性能變得極為重要。

LDO 設計挑戰(zhàn)

許多業(yè)界標準的線性穩(wěn)壓器采用單個電壓電源來執(zhí)行低壓差操作，但是大多數無法實現非常低電壓轉換與低輸出噪聲、寬范圍輸入 / 輸出電壓和豐富保護功能的組合。PMOS LDO 可實現低壓差并依靠單個電源供電運行，但是由于傳輸晶體管的 Vgs 特性而被限制在低輸入電壓，并且缺乏高性能穩(wěn)壓器所提供的諸多保護功能。NMOS 型器件可提供快速瞬態(tài)響應，但是需要兩個電源以對器件施加偏置。NPN 穩(wěn)壓器可提供寬的輸入和輸出電壓范圍，但是要么需要兩個電源，要么具有較高的壓差。相比之下，利用正確的設計架構，PNP 穩(wěn)壓器能夠實現低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高 PSRR 和非常低電壓轉換以及無懈可擊的保護，而所有這些均由單個電源軌提供支持。

為了獲得最佳的總體效率，很多高性能模擬和 RF 電路由負責對開關轉換器的輸出實施后置穩(wěn)壓的 LDO 供電。這需要在 LDO 兩端上具有低的輸入至輸出差分電壓的情況下實現高電源紋波抑制 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲。具有高 PSRR 的 LDO 可容易地濾除和抑制來自開關電源輸出的噪聲，并不需要使用龐大的濾波組件。而且，對于如今把噪聲敏感性作為一項主要考慮因素的新式電源軌而言，在寬的帶寬內具有低輸出電壓噪聲的器件也是有益的。顯然，在大電流時具有低輸出電壓噪聲是一項必要的性能指標。

新型超低噪聲、超高 PSRR LDO 系列

很明顯，可解決這里概述之問題的 LDO 解決方案應具有以下特性：

· 非常低的輸出噪聲

· 低壓差操作

· 在很寬的頻率范圍內具有高 PSRR

· 單電源工作 (旨在實現易用性和緩解電源排序難題)

· 快速瞬態(tài)響應時間

· 可在很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內工作

· 適度的輸出電流能力

· 卓越的熱性能

· 緊湊的占板面積

為了滿足這些特定的需要，凌力爾特推出了超高 PSRR、超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器 LT304x 系列。該系列的最新成員是 LT3045，其為一款超低噪聲、超高 PSRR 低壓差電壓線性穩(wěn)壓器。該器件是先前發(fā)布的 200mA LT3042 超低噪聲 LDO 的較高輸出電流版本。LT3045 的獨特設計具有僅為 2nV/√Hz (在 10kHz) 的超低點噪聲和 0.8µV_RMS 的積分輸出噪聲 (在 10Hz 至 100kHz 的寬帶寬范圍內)。低頻 PSRR 超過 90dB (直到 10kHz)，而高頻 PSRR 則超過 70dB (直到 2.5MHz)，可使噪聲或高紋波輸入電源變得 “安靜”。LT3045 運用了凌力爾特的專有 LDO 架構，即在一個高精度電流源基準之后布設一個高性能單位增益緩沖器，從而可產生幾乎恒定的帶寬、噪聲、PSRR 和負載調節(jié)性能，這與輸出電壓無關。此外，該架構還允許把多個 LT3045 并聯起來使用，以進一步降低噪聲、增加輸出電流和在電路板上散播熱量以改善熱性能。

LT3045 可在滿負載情況下于一個 1.8V 至 20V 的寬輸入電壓范圍內提供高達 500mA 的輸出電流和一個 260mV 的壓差電壓。輸出電壓范圍為 0V 至 15V，而且輸出電壓容限高度準確，在整個電壓、負載和溫度范圍內為 ±2%。該器件的寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高 PSRR 和超低噪聲性能使其非常適合給那些對噪聲敏感的應用供電，例如：PLL / VCO / 混頻器 / LNA、非常低噪聲儀表、高速 / 高精度數據轉換器、醫(yī)療應用 (比如：成像和診斷)、高精度電源，以及用作開關電源的后置穩(wěn)壓器。

LT3045 采用一個小型和低成本的 10µF 陶瓷輸出電容器工作，因而優(yōu)化了穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。單個電阻器負責設置外部精準電流限值 (在整個溫度范圍內為 ±10%)。單個 SET 引腳電容器用于降低輸出噪聲并提供基準軟起動功能，可防止在接通時產生輸出電壓過沖。此外，該器件的內部保護電路還包括反向電池保護、反向電流保護、具折返的內部電流限制和具遲滯的熱限制。其他特點包括快速啟動能力 (適用于采用大數值 SET 引腳電容器的場合) 和一個具可編程門限的電源良好標記 (用于指示輸出電壓調節(jié))。圖 1 示出了一款典型的應用電路原理圖。

LT3045 采用耐熱性能增強型 10 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝 (引腳與 LT3042 兼容) 和 12 引腳 MSOP 封裝，兩種封裝版本的占板面積都很緊湊。E 級和 I 級版本有現貨供應，工作結溫范圍為 –40°C 至 125°C。

未來的高溫 H 級版本額定工作溫度范圍將為 –40°C 至 150°C。

圖 1：LT3045 典型應用電路原理圖和特點

LT3045 需要采用一個輸出電容器以實現穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，該器件要求使用低 ESR 和 ESL 陶瓷電容器。必需采用一個 ESR 低于 20mΩ 和 ESL 低于 2nH 的 10µF (最小值) 輸出電容以實現穩(wěn)定性。考慮到采用單個 10µF 陶瓷輸出電容器所獲得的高 PSRR 和低噪聲性能 (見圖 2 和圖 3)，更大數值的輸出電容器僅能輕微地改善性能，原因是穩(wěn)壓器的帶寬隨著輸出電容的增大而減小，因此，采用大于 10µF (最小值) 的輸出電容器收效甚微。

圖 2：LT3045 的 PSRR 性能

圖 3：LT3045 的輸出噪聲性能

并聯器件的好處

簡單地把所有的 SET 引腳連接在一起和把所有的 IN 引腳連接在一起即可并聯多個 LT3045 IC，從而獲得較高的輸出電流。使用一小段 PCB 走線 (用作一個鎮(zhèn)流電阻器) 把 OUT 引腳連接在一起以均衡來自 LT3045 的電流。另外，還可并聯兩個以上的 LT3045 以提供更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。并聯多個 LT3045 對于在 PCB 上散播熱量也是有益處的。對于具有高輸入至輸出差分電壓的應用，還可使用一個輸入串聯電阻器或與 LT3045 并聯的電阻器以散熱。圖 4 示出了一款并聯電路實施方案。

圖 4：LT3045 并聯工作

下面的表 1 羅列了凌力爾特超高 PSRR、超低噪聲 LDO 系列的成員。

表 1：超高 PSRR、超低噪聲 LDO

* DFN 封裝的引腳是兼容的。

結論

LT3042 和 LT3045 突破性的噪聲和 PSRR 性能，再加上其寬電壓范圍、低壓差電壓、堅固性和易用性，使之非常適合為噪聲敏感型應用供電，比如在測試與測量系統中。憑借其基于電流基準的架構，噪聲和 PSRR 性能不會受到輸出電壓的影響。此外，還可以把多個器件直接并聯起來，以進一步降低輸出噪聲、增加輸出電流和在 PCB 上散播熱量。