噪聲 - 前饋電容器如何提高係統性能

什麽(me) 是前饋電容器？

前饋電容器是與(yu) 電阻分壓器頂部電阻並聯的可選電容器，如圖1所示。


圖 1：使用前饋電容器的低壓降穩壓器 (LDO)

類似於(yu) 降噪電容器 (CNR/SS)，添加前饋電容器具有多種影響。這些影響包括改善噪聲、穩定性、負載響應和電源抑製比 (PSRR)。應用報告“使用前饋電容器和低壓降穩壓器的優(you) 缺點”詳細介紹了這些優(you) 點。另外，還值得注意的是，前饋電容器僅(jin) 在使用可調LDO時才可行，因為(wei) 電阻器網絡是外部的。

改善噪聲

作為(wei) 電壓調節控製環路的一部分，LDO的誤差放大器使用電阻器網絡（R1和R2）來提高基準電壓的增益，類似於(yu) 驅動場效應晶體(ti) 管柵極的同相放大器電路，以使 (VOUT = VREF × (1 + R1/R2)。這種增加意味著基準的直流電壓將按1 + R1/R2係數提高。在誤差放大器的帶寬內(nei) ，基準電壓的交流元件（例如噪聲）也會(hui) 被放大。

通過在頂部電阻器 (CFF) 上添加電容器，會(hui) 為(wei) 特定頻率範圍引入交流分流器。換句話說，該頻率範圍中的交流元件會(hui) 保持在單位增益範圍內(nei) 。請記住，您使用的電容器的阻抗特性將決(jue) 定這個(ge) 頻率範圍。

通過在頂部電阻器上添加一個(ge) 100nF電容器，您可將噪聲從(cong) 9μVRMS降至4.9μVRMS。

改進穩定性和瞬態響應

添加CFF還會(hui) 在LDO反饋環路中引入零點 (ZFF) 和極點 (PFF)，使用公式1和2計算得出：

ZFF = 1 / (2 × π × R1 × CFF)                (1)
PFF = 1 / (2 × π × R1 // R2 × CFF)                (2)

將零點置於(yu) 發生單位增益的頻率之前可提高相位裕度，如圖3所示。


圖 3：僅(jin) 使用前饋補償(chang) 的典型LDO的增益/相位圖

您可以看到，如果沒有ZFF，單位增益會(hui) 更早出現，大約為(wei) 200kHz。通過添加零點，單位增益頻率在大約300kHz處略微向右推，但相位裕度也有所改善。由於(yu) PFF位於(yu) 單位增益頻率的右側(ce) ，因此其對相位裕度的影響將是最小的。

在提高LDO的負載瞬態響應後，額外的相位裕度將很明顯。通過增加相位裕度，LDO 輸出將出現較少的振鈴，穩定速度會(hui) 更快。

改善PSRR

根據零點和極點的位置，您還可以戰略性地減少增益滾降。圖3顯示了零點對從(cong) 100kHz開始的增益滾降的影響。通過增加頻帶的增益，您還將改善該頻帶的環路響應，從(cong) 而使特定頻率範圍的PSRR得到改善。

當然，您必須選擇CFF的值以及ZFF和PFF的對應位置，以避免導致不穩定性。您可以通過遵循數據表中規定的CFF限製來避免不穩定性，但我們(men) 通常建議選擇介於(yu) 10nF和 100nF之間的值。較大的CFF可能會(hui) 帶來前麵提到的優(you) 缺點應用報告中概述的其他挑戰。

表 1 列出了一些關(guan) 於(yu) CNR和CFF如何影響噪聲的經驗法則。

表 1：CNR 和CFF的優(you) 勢與(yu) 頻率間的關(guan) 係

結語

添加前饋電容器可以改善噪聲、穩定性、負載響應和PSRR。當然，您必須仔細選擇電容器以保持穩定性。與(yu) 降噪電容器配合使用時，可以大大提高交流性能。這些隻是優(you) 化電源時需要牢記的一些工具。