低壓差線性電壓調整器噪聲電壓測試方法

羅 軍，劉 焱，王小強，羅宏偉

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

低壓差線性電壓調整器噪聲電壓測試方法

羅 軍，劉 焱，王小強，羅宏偉

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

低壓差線性電壓調整器在便攜應用中除需要實現電壓轉換功能外，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整器的關鍵指標之一，它限制電路能夠處理的最小信號電平。為適應新型低壓差線性電壓調整器的低噪聲測量需求，該文提出采用電池供電與實時信號分析儀相結合的噪聲電壓測試方法，該方法通過降低低壓差線性電壓調整器輸入噪聲對輸出噪聲的影響，具有測量精度較高、測試靈活、平臺搭建簡單等特點。文中對比分析采用直流電源供電與采用電池供電的噪聲電壓測試方法，實驗結果表明：采用電池供電的噪聲電壓測試方法可以滿足10μV量級的噪聲電壓測試需求，達到對低壓差線性電壓調整器噪聲電壓進行準確考核的目的。

低壓差線性電壓調整器；噪聲譜密度；噪聲電壓；測試方法

0 引 言

集成電路低噪聲特性分析獲得了越來越多的關注，相關研究結果表明集成電路噪聲幅值與電路可靠性有密切關系[1]，可以利用集成電路的噪聲特性進行故障診斷[2]及可靠性預測[3]。集成電路的噪聲水平及特性直接關系到信號檢測靈敏度和電路的可靠性，影響到系統的整體性能，因而對集成電路的噪聲進行測試具有重要的價值。

低壓差線性電壓調整器（LDO）由于具有體積小、電源紋波抑制比高、功耗小、噪聲低及電路簡單等特點，在便攜式、工業及汽車領域獲得了廣泛的應用，具有重要的實用價值[4]。隨著集成電路工藝及設計水平的進步，LDO的輸出噪聲電壓越來越低。為了設計更低噪聲電壓的LDO，國內外對此進行了大量的研究。國外方面，LDO的噪聲電壓可達15μV[5]。國內在低噪聲LDO方面也獲得了長足進步，如楊寒冰等[6]實現了26.4 μV的LDO輸出噪聲電壓，鄒靜等[7]設計了0.1 μV噪聲電壓的LDO，陰亞東等[8]實現了一種37.3 μV輸出噪聲電壓的LDO，溫曉珂等[9]設計了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，微伏與納伏級噪聲電壓的測量需求越來越迫切。

為了測量LDO的噪聲電壓，主要有實時信號分析法和頻譜分析法兩種方法，都是通過對LDO噪聲譜密度的測量并計算得到噪聲電壓值。頻譜分析法對測量設備要求高，測試時間較長。實時信號分析法由于成本較低、平臺搭建簡單等特點而獲得業界的青睞。在實時信號分析法中，基于直流電源供電的測試方法難以滿足低噪聲LDO的測試需求。同時，由于相關LDO噪聲電壓測試規范沒有對供電方式提出明確要求，從而可能造成對LDO噪聲電壓指標的誤考核。

為了解決直流電源供電難以對低噪聲LDO噪聲電壓進行準確測量的問題，提出了一種基于電池供電的LDO噪聲電壓測試方法。該方法通過降低輸入噪聲對LDO輸出噪聲的影響，在基于電池供電的條件下采用實時信號分析儀對LDO噪聲譜密度進行測量，可以計算出在一定頻率范圍內的LDO輸出噪聲電壓，具有噪聲電壓測量精度較高、測試靈活、平臺搭建簡單等特點。實驗結果表明采用電池供電的噪聲電壓測試方法可以滿足10 μV量級的LDO噪聲電壓測試需求，達到對低壓差線性電壓調整器低噪聲電壓的進行準確考核的目的。

1 LDO噪聲模型

集成電路的輸出噪聲來源于器件內在的電子噪聲和由于集成電路輸入信號而引入的外部環境噪聲，其中器件內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。為了對集成電路系統噪聲特性進行準確的分析，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[11]。

LDO由帶隙基準源、誤差放大器、調整管、電阻分配網絡組成，其噪聲模型電路圖如圖1所示。圖中為輸出電壓噪聲，CO為負載電容。LDO的噪聲構成主要包括帶隙基準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整管PMOS的電流噪聲由于調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基本可忽略。因此依據噪聲功率疊加原理，在LDO所關注的頻率范圍內（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源，因此常在帶隙基準源的輸出端加一個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源的啟動時間。LDO中的另一個噪聲源是分壓電阻網絡。由于分壓電阻網絡連接到誤差放大器的輸入端，因此其產生的噪聲將被控制環路放大。因此分壓電阻網絡的電阻應盡量小以減少此類噪聲。誤差放大器也是LDO的一個噪聲源。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增加外部器件來減小。負載電流與輸出電容對LDO系統的噪聲影響不大。當負載電流較大而輸出電容較小時，系統的相位裕度較小，因而系統的閉環幅頻特性將在單位增益出現一個尖峰，從而增加系統的輸出等效噪聲。

2 LDO噪聲電壓測試方法

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進行積分。計算LDO的噪聲時，先將LDO各模塊的噪聲折算到誤差放大器的輸入端，然后將計算結果乘以反饋回路的反饋系數就得到了LDO的輸出等效噪聲。由于噪聲來源于物理量的隨機起伏，在任一瞬間不能預知隨機變量的精確大小，但是大多數隨機變量遵循一定的統計分布規律，所以常用統計方法描述噪聲。通常有3種表述方法：

1）噪聲電壓值或電流值，其為隨機噪聲在帶寬內的均方根值，這是統計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系如式（2）～式（4）所示。

式中：N——采樣點間隔個數；

fH——采樣頻率上限；

fL——采樣頻率下限。

GB/T 4377——1996給出了調整器噪聲電壓的測試原理，如圖2所示。通過施加相應的激勵信號讓LDO正常工作，然后在輸出端測出噪聲輸出電壓。由于噪聲一般是很微弱的隨機信號，外圍電路如負載網絡等引入的干擾可能會影響測試的準確性，因而需要對LDO電源的供電方式以及輸出噪聲電壓的測試進行分析研究。文中對電源供電與電池供電方式進行了比較，采用實時信號分析的方法對LDO輸出噪聲譜密度進行測量，最后通過式（2）～式（4）計算得到LDO的輸出噪聲電壓。

圖2 LDO噪聲電壓測試原理

測試系統由 Tektronix RSA5103A（1Hz～3 GHz）實時信號分析儀、J2130A隔直器、BNC轉SMA接口線、LDO測試板、12V直流供電電池、IT6721直流電源組成。基于直流電源供電與基于電池供電的LDO噪聲譜密度測試平臺框架組成如圖3所示。

圖3 基于不同供電方式的LDO噪聲譜密度測試平臺框架

搭建好測試平臺后，測試流程如圖4所示。測試過程中供電電壓為12V，掃描起始頻率值為100Hz，終點頻率值為100kHz，采樣點為10401個。測得LDO的噪聲譜密度以后，依據式（2）～式（4）計算不同測試條件下的LDO輸出噪聲電壓值。為了分析不同電源供電方式對LDO噪聲電壓的影響，分別對基于直流電源供電與基于電池供電的LDO噪聲譜密度進行了測試與對比。這兩種測試方法在測試步驟復雜度、測試效率及自動化程度方面具有相當的效果，其不同點在于供電的方式。供電方式與LDO的具體應用有關，因而需予以明確。

圖4 LDO噪聲電壓測試流程

3 測試結果及分析

基于直流電源供電與基于電池供電的LDO輸出噪聲譜密度測試結果如圖5所示，從圖中可以發現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個數量級，這說明外部供電電源噪聲對該款LDO的輸出噪聲電壓產生了較大的影響。采用不同的供電方法對LDO的噪聲譜密度進行測試，并依據式（2）～式（4）計算得到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試方法可以顯著提高LDO噪聲電壓的測量精度，可達10μV量級。

圖5 采用不同供電方式的LDO輸出噪聲譜密度測量結果

表1 LDO噪聲電壓計算結果

實驗結果表明直流電源供電對LDO的輸出噪聲電壓影響較大，相比電池供電達到了約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自身的設計局限決定的。由于電池的紋波噪聲較小，因而可以為更高精度的LDO噪聲電壓測試提供條件，避免電源噪聲對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噪聲電壓測量精度，可以從兩個方面進行優化改進。1）改進LDO內部電路的設計，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，不論對采用直流電源供電的方法進行何種改進設計，采用電池供電的方法由于從源頭對電源噪聲進行了抑制，因而適應于高精度的噪聲電壓測試。

由于不同的供電方法會對LDO的輸出噪聲電壓測試結果造成較大的影響，因而需要在LDO的設計階段以及考核階段對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噪聲電壓測試方法可以方便地應用于低噪聲LDO的測試，避免由于LDO的相關規范及標準中沒有明確噪聲電壓參數的測試條件及方法，從而對LDO造成誤考核，進而對用戶的使用造成不利影響。

4 結束語

為了適應新型低噪聲LDO輸出噪聲電壓的測量需求，避免電源噪聲對LDO輸出噪聲電壓的干擾，提出了采用電池供電與實時信號分析儀相結合的LDO噪聲電壓測試方法。通過對比分析不同供電方法對LDO噪聲電壓測量的影響，表明采用電池供電方法可滿足10μV量級的噪聲電壓測試需求。基于電池供電的LDO噪聲電壓測試方法可方便地應用于LDO的檢測考核，避免由于LDO相關規范標準中未明確測試條件及方法而造成誤考核。

[1]劉遠，吳為敬，李斌，等.非晶銦鋅氧化物薄膜晶體管的低頻噪聲特性與分析[J].物理學報，2014，63（9）：098503.

[2]ZHI H Q， XIAO M Z， YI S D.A methodological approach to fault location of IC modules[C]∥Proc 15th World Conference on Non-Destructive Testing.Rome：Via A Foresti，2000.

[3]JONES B A，XU Y Z.Excess noise as an indicator of digital integrated circuit reliability[J].Microelectronics Reliability，1991，31（2/3）：351-361.

[4]尚斌，羅軍，蔡志剛，等.低壓差線性電壓調整器電源紋波抑制比測試方法[J].中國測試，2017，43（5）：15-19.

[5]RAVEESH M R.Design techniques for ultra-low noise and low power low dropout regulators[D].Phoenix：Arizona state university，2014.

[6]楊寒冰，李學建.一種低噪聲LDO的設計[J].機電工程技術，2016（Z2）：295-298.

[7]鄒靜，楊維明，蔣師，等.一種低噪聲高PSRR的LDO線性穩壓器[J].湖北大學學報（自然科學版），2012，34（3）：360-364.

[8]陰亞東，閻躍鵬.一種低噪聲高電源抑制比CMOS低壓差線性穩壓器[J].固體電子學研究與進展，2013，33（6）：571-576.

[9]溫曉珂，談熙，閔昊.用于射頻SOC芯片的低噪聲高電源抑制比 LDO[J].固體電子學研究與進展，2011，31（3）：274-279.

[10]JIANG P W， JIN Q J， XI F Z.Less occupied and ultra-low noise LDO design[J].Analog Integration Circuit Signal Processing，2014（81）：453-459.

[11]錢志鴻.集成電路噪聲模型算法及其矩陣表達[J].東北師大學報（自然科學版），2003，35（2）：41-46.

[12]朱勤為，唐寧，吳鵬，等.LDO低輸出噪聲的分析與優化設計[J].電子器件，2009，32（5）：875-879.

（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、信號處理等相關工作。