如何使用前馈电容器降低输出噪声

在前天 LDO 基础知识：噪声 - 降噪引脚如何提高系统性能一文中，我们讨论了如何使用与基准电压 （CNR/SS） 并联的电容器降低输出噪声和控制压摆率。在本文中，我们将讨论降低输出噪声的另一种方法：使用前馈电容器 （CFF）。

什么是前馈电容器？

前馈电容器是与电阻分压器顶部电阻并联的可选电容器，如图 1 所示。

图 1：使用前馈电容器的低压降稳压器 （LDO）

类似于降噪电容器 （CNR/SS），添加前馈电容器具有多种影响。这些影响包括改善噪声、稳定性、负载响应和电源抑制比 （PSRR）。应用报告“使用前馈电容器和低压降稳压器的优缺点”详细介绍了这些优点。另外，还值得注意的是，前馈电容器仅在使用可调 LDO 时才可行，因为电阻器网络是外部的。

改善噪声

作为电压调节控制环路的一部分，LDO 的误差放大器使用电阻器网络（R1 和 R2）来提高基准电压的增益，类似于驱动场效应晶体管栅极的同相放大器电路，以使 VOUT = VREF × （1 + R1/R2）。这种增加意味着基准的直流电压将按 1 + R1/R2 系数提高。在误差放大器的带宽内，基准电压的交流元件（例如噪声）也会被放大。

通过在顶部电阻器 （CFF） 上添加电容器，会为特定频率范围引入交流分流器。换句话说，该频率范围中的交流元件会保持在单位增益范围内。请记住，您使用的电容器的阻抗特性将决定这个频率范围。

图 2 演示了 TPS7A91 噪声的减小（通过使用不同的 CFF 值）。

图 2：TPS7A91 噪声与频率和 CFF 值的关系

通过在顶部电阻器上添加一个 100nF 电容器，您可将噪声从 9μVRMS 降至 4.9μVRMS。

改进稳定性和瞬态响应

添加 CFF 还会在 LDO 反馈环路中引入零点 （ZFF） 和极点 （PFF），使用公式 1 和 2 计算得出：

ZFF = 1 / （2 × π × R1 × CFF） （1）

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

将零点置于发生单位增益的频率之前可提高相位裕度，如图 3 所示。

图 3：仅使用前馈补偿的典型 LDO 的增益/相位图

您可以看到，如果没有 ZFF，单位增益会更早出现，大约为 200kHz。通过添加零点，单位增益频率在大约 300kHz 处略微向右推，但相位裕度也有所改善。由于 PFF 位于单位增益频率的右侧，因此其对相位裕度的影响将是最小的。

在提高 LDO 的负载瞬态响应后，额外的相位裕度将很明显。通过增加相位裕度，LDO 输出将出现较少的振铃，稳定速度会更快。

改善PSRR

根据零点和极点的位置，您还可以战略性地减少增益滚降。图 3 显示了零点对从 100kHz 开始的增益滚降的影响。通过增加频带的增益，您还将改善该频带的环路响应，从而使特定频率范围的 PSRR 得到改善。请参阅图 4。

图 4：TPS7A8300 PSRR 与频率和 CFF 值间的关系

如您所见，增加 CFF 电容会将零点向左推，从而改善环路响应和较低频率范围内的相应 PSRR。

当然，您必须选择 CFF 的值以及 ZFF 和 PFF 的对应位置，以避免导致不稳定性。您可以通过遵循数据表中规定的 CFF 限制来避免不稳定性，但我们通常建议选择介于 10nF 和 100nF 之间的值。较大的 CFF 可能会带来前面提到的优缺点应用报告中概述的其他挑战。

表 1 列出了一些关于 CNR 和 CFF 如何影响噪声的经验法则。

表 1：CNR 和 CFF 的优势与频率间的关系

结语

添加前馈电容器可以改善噪声、稳定性、负载响应和 PSRR。当然，您必须仔细选择电容器以保持稳定性。与降噪电容器配合使用时，可以大大提高交流性能。这些只是优化电源时需要牢记的一些工具。

审核编辑：彭菁