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降低輸出噪聲的方法：使用前饋電容(CFF)

發布時間：2019-01-18 來源：德州儀器責任編輯：lina

【導讀】本文為德州儀器公司Aaron Paxton的原創文章。如何減少輸出噪聲和控製壓擺率，可以為參考電壓(CNR/SS)並聯一個電容器。本文介紹另外一種降低輸出噪聲的方法：使用前饋電容(CFF)。

什麼是前饋電容？

前饋電容是一個可選的頂容器，與電阻分壓器的上半部電阻並聯，如圖 1 所示。

圖 1：使用前饋電容的NMOS低壓差穩壓器(LDO)

與降噪電容(CNR/SS)相似，添加前饋電容具有多種效果。最主要的是降噪，還包括改進穩定性、負荷響應和電源抑製比(PSRR)。（應用報告“使用前饋電容的低壓差穩壓器的優缺點,”詳盡討論了這些益處。）值得注意的是隻有使用可調節LDO時才能使用前饋電容，因為此時電阻網絡在外部。

降噪

LDO進行調節時會使用誤差放大器，而誤差放大器會使用電阻網絡（R1和R2）來提高參考電壓的增益，從而驅動FET的(de)柵(zha)極(ji)，這(zhe)與(yu)同(tong)相(xiang)放(fang)大(da)器(qi)非(fei)常(chang)相(xiang)似(si)。參(can)考(kao)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)將(jiang)增(zeng)加(jia)？？？倍(bei)。不(bu)過(guo)，考(kao)慮(lv)到(dao)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)，您(nin)還(hai)可(ke)以(yi)寄(ji)望(wang)於(yu)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)某(mou)些(xie)交(jiao)流(liu)元(yuan)件(jian)的(de)放(fang)大(da)功(gong)能(neng)。

通(tong)過(guo)為(wei)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi)上(shang)半(ban)部(bu)分(fen)電(dian)阻(zu)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)器(qi)，您(nin)就(jiu)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)引(yin)入(ru)了(le)一(yi)個(ge)分(fen)流(liu)器(qi)。換(huan)言(yan)之(zhi)，您(nin)使(shi)該(gai)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)交(jiao)流(liu)元(yuan)件(jian)貢(gong)獻(xian)於(yu)單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)，此(ci)時(shi)R1模擬短路的情況。（請牢記所用電容器的阻抗屬性，以便確定該頻率範圍。）

如圖 2 所示，您可以看到使用不同CFF值時，TPS7A91的噪聲下降效果。

圖 2：TPS7A91噪聲 vs. 頻率和CFF值

通過為電阻分壓器上半部分電阻並聯一個100nF電容器，可將噪聲從9μVRMS降至4.9μVRMS。

改進穩定性和瞬態響應

添加一個CFF還為LDO反饋環路引入了零點(ZFF)和極點(PFF)，它們的計算見等式 1 和 2：

在達到發生單位增益的頻率之前就形成零點，可以改善相位裕度，如圖 3 所示。

圖 3：僅使用前饋補償的典型LDO的增益/相位圖

您可以看到如果沒有ZFF，單位增益的發生大約將提前約200kHz。通過添加零點，單位增益頻率向右移動了一點(~300kHz)，但是相位裕度也增加了。由於PFF位於單位增益頻率的右側，所以它對於相位裕度的影響也最小。

在改進LDO的負荷瞬態響應後，將看到相位裕度的明顯增加。在相位裕度增加後，LDO輸出將減少振鈴並更快速穩定。

改善PSRR

取決於零點和極點的設置，您還可以巧妙減少增益漂移。圖 3 顯示了零點對從100kHz開始的增益下降的影響。通過提高頻段內的增益，您還將改進該頻段的環路響應。這會改善該特定頻率範圍的PSRR。參見圖4。

圖 4：TPS7A8300 PSRR vs. 頻率和CFF值

如圖所示，增加CFF電容值，會將零點推向左側。催生較低頻率範圍內產生更佳的環路響應和相應PSRR。

當然，您必須選擇CFF值和適當添加零點ZFF和極點PFF，這樣才不會造成不穩定。遵守上麵這個數據表給出的CFF限值，即可防止不穩定情況的出現。大電容值CFF會造成前述應用報告介紹的其他問題。

表 1 列出了有關CNR和CFF如何影響噪聲的經驗法則。

表 1：CNR和CFF vs 頻率

結論

正如本文論述的那樣，添加一個前饋電容可降噪，改進穩定性、負荷響應和PSRR。當(dang)然(ran)，您(nin)必(bi)須(xu)仔(zai)細(xi)選(xuan)擇(ze)電(dian)容(rong)器(qi)才(cai)能(neng)維(wei)持(chi)穩(wen)定(ding)性(xing)。如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)降(jiang)噪(zao)電(dian)容(rong)器(qi)，交(jiao)流(liu)性(xing)能(neng)將(jiang)獲(huo)得(de)大(da)幅(fu)改(gai)善(shan)。這(zhe)些(xie)是(shi)您(nin)需(xu)要(yao)牢(lao)記(ji)以(yi)便(bian)優(you)化(hua)電(dian)源(yuan)的(de)幾(ji)個(ge)方(fang)法(fa)。

（作者：德州儀器Aaron Paxton）

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