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详解LDO电路的电源抑制比

巨霖 来源:巨霖 2024-11-09 17:30 次阅读

电源抑制能力

原理

电源抑制(Power Supply Rejection)能力是SoC系统中电源模块很重要的指标,在当今数字和interwetten与威廉的赔率体系 电路高度集成的趋势下,一个能提供稳定输出电压的系统模块显得尤为重要,而这个模块又很容易受到供电电源的噪声和纹波影响,电源抑制能力描述的就是对这一类影响的抑制能力。

实际电路搭建

LDO理论电路

使用巨霖PowerExpert软件可以搭建一个LDO的器件结构示意图:

303954c2-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png

上图中的放大器作为误差放大器,电压从放大器输出经过一个PMOS,为电阻R_1和R_2提供电流,实现分压。假设该误差放大器跨导为30511242-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png,小信号等效电阻为305ca652-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png,输出电阻为306f2228-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png。为了保证静态功耗低,R_1和R_2取值应保证308ca640-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png。上述电路图是一个LDO的结构模型,展示了LDO的基本原理,下面分析输入电压纹波对输出电压的影响。

PSR分析电路

LDO在分析PSR时的等效电路可以看成,PMOS的输出电阻与总电路的输出电阻的串联,总电路输出电阻等于输出端开环等效电阻与闭环反馈电阻的并联,开环输出电阻为30968b60-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png,闭环反馈电阻为30a3c71c-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png是电路的环路增益,等效电路如下:

30bde7f0-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png

PSR可以看做是上图中VDD与Vout的电压比值,即30da8914-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png

在电路实际工作在不同频率下PSR的值也会不同,在低频阶段,高环路增益导致电流绝大部分流向30f2475c-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png,又由于308ca640-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png,所以31187d1e-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png这也是理想情况;在频率升高至放大器带宽以上时,放大器的开环增益下降,这导致30f2475c-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png增大,PSR变差。开环增益需乘上衰减因子313d1610-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png314c8f96-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png表示放大器的带宽,当频率增加到单位增益频率(Unit Gain Frequency,简称UGF)时,放大器增益为1,反馈环路消失,30f2475c-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png失效;当频率继续增加,电容的等效阻抗继续减小,从而对31610278-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png的分流程度继续增大,输出端的交流分量减小,VDD的交流分量不变。在频率增加过程中PSR的表达式变化如下:

31684f24-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png

仿真验证

在巨霖PowerExpert中搭建LDO的PSR分析电路并进行AC仿真,仿真电路和结果如下:

317c0050-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png319f46c8-9db9-11ef-93f3-92fbcf53809c.png

由仿真结果可见,该电路的PSR变化趋势符合上述分析。

PSR优化

通过上述对 LDO 电路的电源抑制比 PSR 进行了分析量化,在实际设计过程中有很多种优化放置,篇幅问题本文仅简单提出三种,不做仿真和验证。最直接方式是增加输出电容减小噪声,从而提高PSR,但是这会增大器件的版图面积,增加成本;还可以减小 LDO 的负载,电路对电源噪声敏感度降低,但会导致高功耗,影响使用寿命;还可以采用高PSR 基准源,使供电电源更稳定,电源噪声对输出更少影响,但电路结构变得更加复杂,还引入了新噪声源。综上所述,以上这些方式都有各自优点与缺点,在实际设计中需要考虑各种因素,选择适合的优化方式,再使用仿真软件验证,巨霖的PowerExpert作为电路仿真软件,具有精度高,收敛性好,器件库丰富等优势,可以在实际电路设计中精准仿真电路,成为工程师们设计环节的有力助手。

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原文标题:电源抑制能力的分析、仿真与优化

文章出处:【微信号:巨霖,微信公众号:巨霖】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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