低壓差線性電壓調(diào)整器噪聲電壓測(cè)試方法

羅 軍，劉 焱，王小強(qiáng)，羅宏偉

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

低壓差線性電壓調(diào)整器噪聲電壓測(cè)試方法

羅 軍，劉 焱，王小強(qiáng)，羅宏偉

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

低壓差線性電壓調(diào)整器在便攜應(yīng)用中除需要實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能外，還必須滿足專用電路的噪聲要求。噪聲電壓作為低壓差線性電壓調(diào)整器的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它限制電路能夠處理的最小信號(hào)電平。為適應(yīng)新型低壓差線性電壓調(diào)整器的低噪聲測(cè)量需求，該文提出采用電池供電與實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀相結(jié)合的噪聲電壓測(cè)試方法，該方法通過(guò)降低低壓差線性電壓調(diào)整器輸入噪聲對(duì)輸出噪聲的影響，具有測(cè)量精度較高、測(cè)試靈活、平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。文中對(duì)比分析采用直流電源供電與采用電池供電的噪聲電壓測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用電池供電的噪聲電壓測(cè)試方法可以滿足10μV量級(jí)的噪聲電壓測(cè)試需求，達(dá)到對(duì)低壓差線性電壓調(diào)整器噪聲電壓進(jìn)行準(zhǔn)確考核的目的。

低壓差線性電壓調(diào)整器；噪聲譜密度；噪聲電壓；測(cè)試方法

0 引 言

集成電路低噪聲特性分析獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)研究結(jié)果表明集成電路噪聲幅值與電路可靠性有密切關(guān)系[1]，可以利用集成電路的噪聲特性進(jìn)行故障診斷[2]及可靠性預(yù)測(cè)[3]。集成電路的噪聲水平及特性直接關(guān)系到信號(hào)檢測(cè)靈敏度和電路的可靠性，影響到系統(tǒng)的整體性能，因而對(duì)集成電路的噪聲進(jìn)行測(cè)試具有重要的價(jià)值。

低壓差線性電壓調(diào)整器（LDO）由于具有體積小、電源紋波抑制比高、功耗小、噪聲低及電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在便攜式、工業(yè)及汽車領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，具有重要的實(shí)用價(jià)值[4]。隨著集成電路工藝及設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，LDO的輸出噪聲電壓越來(lái)越低。為了設(shè)計(jì)更低噪聲電壓的LDO，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。國(guó)外方面，LDO的噪聲電壓可達(dá)15μV[5]。國(guó)內(nèi)在低噪聲LDO方面也獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，如楊寒冰等[6]實(shí)現(xiàn)了26.4 μV的LDO輸出噪聲電壓，鄒靜等[7]設(shè)計(jì)了0.1 μV噪聲電壓的LDO，陰亞?wèn)|等[8]實(shí)現(xiàn)了一種37.3 μV輸出噪聲電壓的LDO，溫曉珂等[9]設(shè)計(jì)了21.4 μV 的低噪聲 LDO，JIANG 等[10]研制了 25.5 μV噪聲電壓的LDO。隨著大量低噪聲LDO的研制，微伏與納伏級(jí)噪聲電壓的測(cè)量需求越來(lái)越迫切。

為了測(cè)量LDO的噪聲電壓，主要有實(shí)時(shí)信號(hào)分析法和頻譜分析法兩種方法，都是通過(guò)對(duì)LDO噪聲譜密度的測(cè)量并計(jì)算得到噪聲電壓值。頻譜分析法對(duì)測(cè)量設(shè)備要求高，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)時(shí)信號(hào)分析法由于成本較低、平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而獲得業(yè)界的青睞。在實(shí)時(shí)信號(hào)分析法中，基于直流電源供電的測(cè)試方法難以滿足低噪聲LDO的測(cè)試需求。同時(shí)，由于相關(guān)LDO噪聲電壓測(cè)試規(guī)范沒有對(duì)供電方式提出明確要求，從而可能造成對(duì)LDO噪聲電壓指標(biāo)的誤考核。

為了解決直流電源供電難以對(duì)低噪聲LDO噪聲電壓進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題，提出了一種基于電池供電的LDO噪聲電壓測(cè)試方法。該方法通過(guò)降低輸入噪聲對(duì)LDO輸出噪聲的影響，在基于電池供電的條件下采用實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀對(duì)LDO噪聲譜密度進(jìn)行測(cè)量，可以計(jì)算出在一定頻率范圍內(nèi)的LDO輸出噪聲電壓，具有噪聲電壓測(cè)量精度較高、測(cè)試靈活、平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用電池供電的噪聲電壓測(cè)試方法可以滿足10 μV量級(jí)的LDO噪聲電壓測(cè)試需求，達(dá)到對(duì)低壓差線性電壓調(diào)整器低噪聲電壓的進(jìn)行準(zhǔn)確考核的目的。

1 LDO噪聲模型

集成電路的輸出噪聲來(lái)源于器件內(nèi)在的電子噪聲和由于集成電路輸入信號(hào)而引入的外部環(huán)境噪聲，其中器件內(nèi)在的電子噪聲主要有熱噪聲、G-R噪聲、散粒噪聲及1/f噪聲4大類別。為了對(duì)集成電路系統(tǒng)噪聲特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，常采用噪聲模型的分析方法。噪聲功率疊加原理是集成電路噪聲特性分析的基礎(chǔ)[11]。

LDO由帶隙基準(zhǔn)源、誤差放大器、調(diào)整管、電阻分配網(wǎng)絡(luò)組成，其噪聲模型電路圖如圖1所示。圖中為輸出電壓噪聲，CO為負(fù)載電容。LDO的噪聲構(gòu)成主要包括帶隙基準(zhǔn)源的輸出等效噪聲誤差放大器的等效輸入噪聲電阻R1 的輸出電壓噪聲電阻R2 的輸出電壓噪聲以及調(diào)整管PMOS的電流噪聲由于調(diào)整管通常具有比較大的電流及較大的尺寸，因而其熱噪聲和1/f噪聲都比較小，在輸出端的噪聲貢獻(xiàn)基本可忽略。因此依據(jù)噪聲功率疊加原理，在LDO所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)（f1-f2）的輸出電壓積分噪聲如式（1）所示[9-12]。 從式（1）中可以看出，LDO的輸出噪聲主要受電阻R1與R2的比值、帶隙基準(zhǔn)源的輸出等效噪聲以及誤差放大器的輸入等效噪聲影響。

圖1 LDO噪聲模型電路圖

LDO中主要的噪聲源是帶隙基準(zhǔn)源，因此常在帶隙基準(zhǔn)源的輸出端加一個(gè)較大的旁路電容以濾掉大部分噪聲，但較大的旁路電容將減慢帶隙基準(zhǔn)源的啟動(dòng)時(shí)間。LDO中的另一個(gè)噪聲源是分壓電阻網(wǎng)絡(luò)。由于分壓電阻網(wǎng)絡(luò)連接到誤差放大器的輸入端，因此其產(chǎn)生的噪聲將被控制環(huán)路放大。因此分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻應(yīng)盡量小以減少此類噪聲。誤差放大器也是LDO的一個(gè)噪聲源。由于誤差放大器的增益較大，其后面的器件，如通路器件的噪聲都將被抑制。誤差放大器的噪聲不能通過(guò)增加外部器件來(lái)減小。負(fù)載電流與輸出電容對(duì)LDO系統(tǒng)的噪聲影響不大。當(dāng)負(fù)載電流較大而輸出電容較小時(shí)，系統(tǒng)的相位裕度較小，因而系統(tǒng)的閉環(huán)幅頻特性將在單位增益出現(xiàn)一個(gè)尖峰，從而增加系統(tǒng)的輸出等效噪聲。

2 LDO噪聲電壓測(cè)試方法

噪聲在 LDO器件中通常有兩種表示方式，分別為噪聲功率譜密度和噪聲電壓的均方根值，其中噪聲電壓的均方根值是把噪聲功率譜密度在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行積分。計(jì)算LDO的噪聲時(shí)，先將LDO各模塊的噪聲折算到誤差放大器的輸入端，然后將計(jì)算結(jié)果乘以反饋回路的反饋系數(shù)就得到了LDO的輸出等效噪聲。由于噪聲來(lái)源于物理量的隨機(jī)起伏，在任一瞬間不能預(yù)知隨機(jī)變量的精確大小，但是大多數(shù)隨機(jī)變量遵循一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，所以常用統(tǒng)計(jì)方法描述噪聲。通常有3種表述方法：

1）噪聲電壓值或電流值，其為隨機(jī)噪聲在帶寬內(nèi)的均方根值，這是統(tǒng)計(jì)求出的噪聲電壓或電流的均方根（root mean squared，RMS）。

2）噪聲功率譜密度（定義為單位頻率帶寬內(nèi)的噪聲）。

3）噪聲密度（即噪聲譜密度）。

噪聲的3種表述方法是可以換算的，不妨設(shè)噪聲譜密度為Pf，噪聲功率譜密度為PD，噪聲電壓為VS，則它們之間的換算關(guān)系如式（2）～式（4）所示。

式中：N——采樣點(diǎn)間隔個(gè)數(shù)；

fH——采樣頻率上限；

fL——采樣頻率下限。

GB/T 4377——1996給出了調(diào)整器噪聲電壓的測(cè)試原理，如圖2所示。通過(guò)施加相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)讓LDO正常工作，然后在輸出端測(cè)出噪聲輸出電壓。由于噪聲一般是很微弱的隨機(jī)信號(hào)，外圍電路如負(fù)載網(wǎng)絡(luò)等引入的干擾可能會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確性，因而需要對(duì)LDO電源的供電方式以及輸出噪聲電壓的測(cè)試進(jìn)行分析研究。文中對(duì)電源供電與電池供電方式進(jìn)行了比較，采用實(shí)時(shí)信號(hào)分析的方法對(duì)LDO輸出噪聲譜密度進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)式（2）～式（4）計(jì)算得到LDO的輸出噪聲電壓。

圖2 LDO噪聲電壓測(cè)試原理

測(cè)試系統(tǒng)由 Tektronix RSA5103A（1Hz～3 GHz）實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀、J2130A隔直器、BNC轉(zhuǎn)SMA接口線、LDO測(cè)試板、12V直流供電電池、IT6721直流電源組成?；谥绷麟娫垂╇娕c基于電池供電的LDO噪聲譜密度測(cè)試平臺(tái)框架組成如圖3所示。

圖3 基于不同供電方式的LDO噪聲譜密度測(cè)試平臺(tái)框架

搭建好測(cè)試平臺(tái)后，測(cè)試流程如圖4所示。測(cè)試過(guò)程中供電電壓為12V，掃描起始頻率值為100Hz，終點(diǎn)頻率值為100kHz，采樣點(diǎn)為10401個(gè)。測(cè)得LDO的噪聲譜密度以后，依據(jù)式（2）～式（4）計(jì)算不同測(cè)試條件下的LDO輸出噪聲電壓值。為了分析不同電源供電方式對(duì)LDO噪聲電壓的影響，分別對(duì)基于直流電源供電與基于電池供電的LDO噪聲譜密度進(jìn)行了測(cè)試與對(duì)比。這兩種測(cè)試方法在測(cè)試步驟復(fù)雜度、測(cè)試效率及自動(dòng)化程度方面具有相當(dāng)?shù)男Ч?，其不同點(diǎn)在于供電的方式。供電方式與LDO的具體應(yīng)用有關(guān)，因而需予以明確。

圖4 LDO噪聲電壓測(cè)試流程

3 測(cè)試結(jié)果及分析

基于直流電源供電與基于電池供電的LDO輸出噪聲譜密度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)采用電池供電的噪聲譜密度相比直流電源供電方式要低2個(gè)數(shù)量級(jí)，這說(shuō)明外部供電電源噪聲對(duì)該款LDO的輸出噪聲電壓產(chǎn)生了較大的影響。采用不同的供電方法對(duì)LDO的噪聲譜密度進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)式（2）～式（4）計(jì)算得到LDO的輸出噪聲電壓如表1所示。從表1中可以看出采用電池供電的噪聲電壓測(cè)試方法可以顯著提高LDO噪聲電壓的測(cè)量精度，可達(dá)10μV量級(jí)。

圖5 采用不同供電方式的LDO輸出噪聲譜密度測(cè)量結(jié)果

表1 LDO噪聲電壓計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直流電源供電對(duì)LDO的輸出噪聲電壓影響較大，相比電池供電達(dá)到了約10倍的差距。不同電源供電方式造成LDO輸出噪聲電壓差異的原因主要是由LDO自身的設(shè)計(jì)局限決定的。由于電池的紋波噪聲較小，因而可以為更高精度的LDO噪聲電壓測(cè)試提供條件，避免電源噪聲對(duì)LDO輸出噪聲的干擾。另一方面，為了提升采用直流電源供電方法的LDO噪聲電壓測(cè)量精度，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。1）改進(jìn)LDO內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，增加抑制電源噪聲干擾的濾波電路；2）可以在LDO的外部增加濾波電路，但該方法具有不確定性，并不能完全抑制電源噪聲的干擾。然而，不論對(duì)采用直流電源供電的方法進(jìn)行何種改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用電池供電的方法由于從源頭對(duì)電源噪聲進(jìn)行了抑制，因而適應(yīng)于高精度的噪聲電壓測(cè)試。

由于不同的供電方法會(huì)對(duì)LDO的輸出噪聲電壓測(cè)試結(jié)果造成較大的影響，因而需要在LDO的設(shè)計(jì)階段以及考核階段對(duì)電源噪聲的干擾及影響加以考慮。文中提出的基于電池供電的LDO噪聲電壓測(cè)試方法可以方便地應(yīng)用于低噪聲LDO的測(cè)試，避免由于LDO的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確噪聲電壓參數(shù)的測(cè)試條件及方法，從而對(duì)LDO造成誤考核，進(jìn)而對(duì)用戶的使用造成不利影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)新型低噪聲LDO輸出噪聲電壓的測(cè)量需求，避免電源噪聲對(duì)LDO輸出噪聲電壓的干擾，提出了采用電池供電與實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀相結(jié)合的LDO噪聲電壓測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)比分析不同供電方法對(duì)LDO噪聲電壓測(cè)量的影響，表明采用電池供電方法可滿足10μV量級(jí)的噪聲電壓測(cè)試需求?；陔姵毓╇姷腖DO噪聲電壓測(cè)試方法可方便地應(yīng)用于LDO的檢測(cè)考核，避免由于LDO相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中未明確測(cè)試條件及方法而造成誤考核。

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（編輯：劉楊）

Noise voltage testing method of low dropout linear regulator

LUO Jun， LIU Yan， WANG Xiaoqiang， LUO Hongwei
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

In addition to realizing the function of voltage regulating， the low dropout linear regulator（LDO） shall also meet the noise requirement for specific circuit in portable applications.As a key indicator of LDO，noise voltage limits the minimum signal level that can be processed by the circuit.To meet the requirement of low noise measurement of a new LDO，a noise voltage testing method using real time analyzing （signal analyzer） and battery powering is proposed.The presented method can reduce the effects of input noise of LDO on output noise and has the advantages of high measured accuracy，flexible testing and simple platform constructing.Two noise voltage testing methods， direct-current powering and battery powering， are compared in the paper.Results show that the presented method can measure low noise voltage whose level ups to 10μV，so that it can reach the goal of precise evaluation of low noise voltage of LDO.

low dropout linear regulator； noise spectral density； noise voltage； testing method

A

1674-5124（2017）11-0022-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.005

2017-06-12；

2017-07-09

羅 軍（1986-），男，湖南衡南縣人，工程師，主要從事集成電路檢測(cè)、信號(hào)處理等相關(guān)工作。