在射頻(RF)技術(shù)、計量學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用場景中，都需要極低噪聲的電源電壓。本文將闡釋并對比傳統(tǒng)設(shè)計方法與一種創(chuàng)新的高集成度設(shè)計方案，致力于為敏感的負(fù)載提供超低噪聲電源。新技術(shù)不僅帶來了更緊湊的設(shè)計，使用起來也更加便捷。

射頻技術(shù)等應(yīng)用需要噪聲極低的電源電壓。諸如鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等易受干擾的電路，都需要低噪聲的供電。電源線路上的任何干擾都可能會影響應(yīng)用中的信號。為了產(chǎn)生極為干凈的電源電壓，通常會采用如圖1所示的電源鏈路。

圖1. 由高效開關(guān)穩(wěn)壓器和下游線性穩(wěn)壓器組成的電壓轉(zhuǎn)換器。

開關(guān)穩(wěn)壓器將高電源電壓（如24 V）轉(zhuǎn)換為較低的電壓（如 3.5 V）。然后，這種低電壓可用于為超低噪聲線性穩(wěn)壓器供電，在輸出端產(chǎn)生噪聲極低的3.3 V電壓。線性穩(wěn)壓器自身的噪聲水平極低，其均方根噪聲值處于0.8 μV區(qū)間內(nèi)，并具有高達76 dB的電源電壓抑制比(PSRR)（在1 MHz頻率下測得）。這種設(shè)置可減少由開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電壓紋波。圖1中的設(shè)計展示了一種用于產(chǎn)生超低噪聲電壓的典型解決方案。

優(yōu)化的可能性

多級分立設(shè)計方案實現(xiàn)起來不太容易。開關(guān)穩(wěn)壓器的實施離不開經(jīng)過精心優(yōu)化的印刷電路板(PCB)布局。否則，開關(guān)穩(wěn)壓器的快速開關(guān)瞬變會作為額外的干擾耦合到輸出電壓中。為了避免這種情況，有必要將線性穩(wěn)壓器布置到距離開關(guān)穩(wěn)壓器足夠遠的位置，但這會造成電源設(shè)計占用大量空間。在這類應(yīng)用中，試圖集成開關(guān)穩(wěn)壓器電路和線性穩(wěn)壓器的嘗試往往以失敗收場，原因在于開關(guān)過程中的噪聲會耦合至最終的輸出電壓。不過，此問題已有行之有效的解決方案。

圖2. 高度集成的μModule穩(wěn)壓器，用于在盡可能小的空間內(nèi)產(chǎn)生噪聲最小的電壓。

解決方案

對于噪聲敏感型應(yīng)用，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來集成開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。LTM8080是ADI μModule系列中的一款產(chǎn)品中，在開關(guān)穩(wěn)壓器部分和集成的線性穩(wěn)壓器部分之間提供了內(nèi)部電磁屏蔽。這種內(nèi)置屏蔽層能夠吸收由開關(guān)穩(wěn)壓器部分快速切換的電流所產(chǎn)生的電磁干擾。因此，借助超緊湊的設(shè)計就能獲得干凈且精確調(diào)節(jié)的電源電壓。LTM8080可以同時產(chǎn)生兩個不同的電壓，并且采用尺寸為9 mm × 6.25 mm的封裝。其中包含了開關(guān)穩(wěn)壓器（包括電感器）和兩個超低噪聲的線性穩(wěn)壓器。

關(guān)于LDO 線性穩(wěn)壓器 LT3042

LTM8080 是一款 40VIN, 雙 500mA 或單 1A 超低噪聲超高 PSRR μModule 穩(wěn)壓器。LTM8080 具有級聯(lián)架構(gòu)，其中包含一個 40VIN 降壓型 Silent Switcher 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器具有雙高性能低壓降線性穩(wěn)壓器所需的集成式 EMI 降噪功能。雙 LDO 采用 ADI’ 的超低噪聲和超高 PSRR 架構(gòu)，為噪聲敏感型應(yīng)用供電。LTM8080 是一款包含 Switcher 和 LDO 的集成式解決方案，這有兩個優(yōu)點，既可以保持小尺寸，也可以顯著降低 PCB 布局敏感性。

此封裝包括控制器、電源開關(guān)、電感器和配套組件。此外，LTM8080 還有內(nèi)置電壓跟蹤功能，此功能可自動將 VBUS 設(shè)置為 2.5V 的標(biāo)稱值或比 VOUT1 高 1V 的值（以較高者為準(zhǔn)），從而實現(xiàn)出色的噪聲性能并使功耗最小化。

LTM8080 封裝在耐熱性能增強型緊湊式 (9mm × 6.25mm × 3.32mm) 超模壓球柵陣列 (BGA) 封裝中，這種封裝適合通過標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝設(shè)備進行自動裝配，并且符合 RoHS。

應(yīng)用

RF 電源：PLL、VCO、混頻器、LNA

極低噪聲儀器儀表

高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

醫(yī)療應(yīng)用：成像、診斷

圖3顯示了不同輸出電流的噪聲密度。LTM8080能夠?qū)崿F(xiàn)均方根(rms)噪聲水平低于1 μV rms（在10 Hz至100 kHz之間）。相比之下， 未經(jīng)電壓調(diào)節(jié)的鋰離子電池電壓的典型值為2.7 μV rms（在10 Hz至 100 kHz之間）。因此，圖2中所示的電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲比電池電壓產(chǎn)生的噪聲要小。

圖3. 不同輸出電流的噪聲密度。

此外，采用這種解決方案時，電路設(shè)計極為簡單，無需深入了解開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計和所需的PCB布局。μModule穩(wěn)壓器巧妙的設(shè)計實現(xiàn)了超低噪聲的供電，不僅集成度高，而且尺寸極為緊湊。