低压差线性电压调整器电源纹波抑制比测试方法

尚斌，罗军，蔡志刚，王小强

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

低压差线性电压调整器电源纹波抑制比测试方法

尚斌，罗军，蔡志刚，王小强

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

低压差线性电压调整器应用广泛，电源纹波抑制比是反映其性能指标的关键参数之一。为解决传统电源纹波抑制比测试方法测量频率范围较小、测试效率低、难以满足高电源纹波抑制比测试等不足，提出基于功率分配器和低频网络分析仪相结合的电源纹波抑制比测试方法，并采用典型低压差线性电压调整器对基于功率分配器和基于电感电容总和节点法的两种测试方法进行测试验证。实验结果表明：基于功率分配器的电源纹波抑制比测试方法最低测试频率可达30Hz，可满足70dB以上电源纹波抑制比的测试需求，具有频率测量范围更宽、测试效率高等特点。

低压差线性电压调整器；电源纹波抑制比；测试方法；频率范围

0 引言

随着信息科学的快速发展，电源技术变得越来越重要。低压差线性电压调整器（LDO）由于具有体积小、电源纹波抑制比（PSRR）高、功耗小、噪声低以及电路简单等优点应用广泛。近年来LDO的相关技术正成为当前电源技术领域的研究热点，具有重要的理论意义和实用价值[1]。随着微电子工艺技术的进步，LDO的发展经历了从传统的采用双极性工艺技术到采用先进的CMOS工艺技术。与此同时，LDO的设计也获得了快速的发展，近几年来关于不断改进的LDO设计层出不穷[2-5]，研制了一系列高性能的LDO，使LDO具备了长寿命、高负载电流、高PSRR及低噪声等特性。

PSRR是LDO的一个关键特性，它表征LDO对电源纹波的抑制能力，为获得更高的PSRR，国内外学者对此进行广泛的研究。国外对LDO的研究较早，研制了一些高PSRR的LDO芯片，如Harrison等[6]实现57 dB@1 kHz的PSRR，Sawan等[7]实现60 dB@1 kHz的PSRR，Vahid等[8]实现了70 dB@1 kHz的PSRR。国内虽然在LDO的工艺技术水平与国外有较大差距，但近年来国内的一些学者或厂商仍取得了较大的进步，如邹静[9]实现了54 dB@1 kHz的PSRR，JIAN等[10]实现了65 dB@1 kHz的PSRR，某型国产LDO芯片的PSRR可以达到70 dB@1 kHz以上等。

LDO中PSRR性能的提升对测试方法提出了更高的要求，如何提升测试效率、保障测试范围成为一个重要的问题。测试PSRR的传统方法有基于电感电容（LC）总和节点法、基于放大器的方法及采用示波器的方法[11]。为了满足高PSRR的LDO的测试需求，实现对测试效率及测试频率范围的提升，文中提出了基于功率分配器和低频网络分析仪相结合的PSRR测试方法，并从测试原理、步骤、效率、复杂度、成本及频率范围等方面与基于LC总和节点法的传统PSRR测试方法进行对比分析，实验结果表明基于功率分配器的PSRR测试方法具有更大的频率测试范围，最低测试频率可达30 Hz，相比传统PSRR测试方法，频率测试范围扩大了一个数量级。此外，基于功率分配器的PSRR测试方法具有测试效率高、平台搭建简单、测试范围宽等优点，其测试结果与理论PSRR曲线具有较好的吻合性。

1 LDO工作原理

LDO是输出输入压差很小的线性电压调整器，它能在输入电压和负载变化的情况下，保证系统有稳定的输出电压。随着技术的进步，线性电压调整器的结构与技术越来越成熟，其基本结构包括启动电路、参考基准源、误差放大器、功率管和反馈取样电路，如图1所示。LDO的工作原理是参考基准电压和反馈电压分别接在误差放大器的反相端和同相端，误差放大器通过放大这两个电压差来调整场效应功率管电流的大小，从而实现这个负反馈系统输出电压的稳定。工作过程是当输出电压上升时，反馈电压上升，误差放大器同相端电压上升，参考基准不变，导致放大器输出电压变大，调节功率管栅极电压，使得流过功率管的电流减小，于是促使输出电压减小，通过负反馈达到保持输出稳定的目的。同理，当系统输出电压减小时，通过负反馈同样能实现稳压的目的。

图1 低压差线性电压调整器基本结构

2 PSRR测试方法

LDO的电源纹波抑制比是指输出纹波与输入纹波在一个频率范围内的比值，通常为10Hz～10MHz，单位是分贝（dB）。计算PSRR的公式为

式中：VI，ripple——输入纹波电压；

VO，ripple——输出纹波电压。

2.1 基于LC总和节点法的PSRR测试方法

基于LC总和节点法的PSRR测试原理如图2所示，图中VDC为直流供电电源，由VAC产生一定频率范围的交流电压信号并叠加到直流电压信号作为LDO的输入，测量LDO的输出与输入纹波电压并依据式（1）计算PSRR。在采用LC总和节点法的PSRR测试方法中，电容C与电感L的值决定了该测试方法的最低频率范围。由于L和C形成一个针对VAC的高通滤波器，限制了该方法测量的PSRR的最低频率，该滤波器3dB点由下式决定，低于3dB点的频率将被减弱，使得测量变得困难。

图2 基于LC总和节点法的PSRR测试原理

基于LC总和节点法的PSRR测试平台包含测量设备、直流供电电源、LDO测试板及连接线缆等组成模块。低频网络分析仪工作在增益-相位模式，测试步骤如下：

1）把LDO芯片放入测试夹具，采用BNC转SMA接口线、SMA接口线连接E5061B、LDO测试板。

2）LDO测试板的12V直流电压（VDC）由外部直流电源供电，交流输入信号（VAC）由E5061B的LF OUT端口输出，VIN接E5061B的R端口，VOUT接E5061B的T端口。

3）设置E5061B为10Hz～10MHz的频率扫描范围，并设置输出功率-10 dBm。

4）设置中频带宽为20Hz，设置R端口和T端口的输入阻抗为1MΩ。

5）打开LDO测试板上电源开关，启动测试，记录测试时间，待自动测试完成后，存储测试数据与波形。

2.2 基于功率分配器的PSRR测试方法

基于功率分配器的PSRR测试原理如图3所示。采用低频网络分析仪（E5061B）作为测量设备，其测量频率范围为5Hz～3GHz、具有增益-相位和S参数两种测量模式，并且可自带直流电压输出。图中通过功率分配器把E5061B的LF OUT端口输出信号（可配置为直流偏置）分配接到LDO的输入端及R端口，测试过程中使用增益-相位模式，同时把LDO的输出信号接入E5061B的T端口。功率分配器需满足低频（10Hz～10MHz）的频率范围要求。采用功率分配器的PSRR测试方法平台搭建较简单，无需外部直流供电电源，由E5061B提供直流电压即可。

在基于功率分配器的PSRR测试平台中，E5061B通过SMA接口线缆与LDO测试板相连接，同时LDO芯片采用夹具与测试板连接，在测试PSRR的过程中LDO测试板无需外接电源，由E5061B通过设置LF OUT端口加载直流偏置电压（VDC）供电。测试步骤如下：

1）把LDO芯片放入测试夹具，采用BNC转SMA接口线、SMA接口线连接E5061B、LDO测试板及功率分配器，LDO测试板上外部供电端口置空，设置E5061B提供10V的VDC直流电压。

图3 基于功率分配器的PSRR测试原理

2）设置E5061B为10Hz～10MHz的频率扫描范围，并设置输出功率-10 dBm。

3）设置中频带宽为20Hz，设置R端口和T端口的输入阻抗为1MΩ。

4）打开E5061B中的“DC Bias”开关，启动测试，记录测试时间，待自动测试完成后，存储测试数据与波形。

2.3 不同PSRR测试方法对比

基于LC总和节点法的PSRR测试方法（方法1）与基于功率分配器的PSRR测试方法（方法2）的对比如表1所示，表中从测试设备组成、搭建平台复杂度、自动化测试程度、测试平台成本等方面进行了定性比较。从表中可以看出两种不同的测试方法（方法1和方法2）对测试硬件的需求几乎相当，测试自动化程度都较高，方法2的测试平台成本相比方法1要略低。

表1 不同PSRR测试方法对比

表2 不同PSRR测试方法的测试效率对比

不同PSRR测试方法在不同中频带宽（IFBW）测试条件下从10Hz～10MHz频率范围内的PSRR测试时间如表2所示。测试条件为中频带度（IFBW），从表中可以看出方法1与方法2在不同中频带宽下的测试效率几乎一致，这是由于这两种测试方法都是采用相同的测量仪器，测试效率是由测量仪器决定的。

3 测试结果及分析

LDO的PSRR测量值随频率变化的典型理论曲线如图4所示[12]，从图中可以看出LDO的电源纹波抑制比基本上可分为3个频率范围：第1个部分（A1）是从直流到基准滤波器的滑落频率，主要影响因素是开环增益和基准源的电源纹波抑制比；第2个部分（A2）是从基准滤波器的滑落频率向上延伸至单位增益频率，此区的电源纹波抑制比主要由LDO的开环增益决定；第3部分（A3）是单位增益频率之上的部分，除了输入到输出的寄生参数外，在此区域反馈环路对这个部分的影响很小。

图4 PSRR随频率变化的理论曲线

采用方法1及方法2的PSRR测试结果如图5所示，图中展示了LDO对10Hz～10MHz频率范围输入纹波的抑制能力，其中该型LDO在1kHz时的电源纹波抑制比可达80.89 dB。从图中可以看出，方法1在10 kHz以下的频率范围内具有较大的PSRR波动，方法2在30Hz以下的频率范围内具有较大的波动。同时，方法2的PSRR测试结果整体较稳定，并且在大于10 kHz的频率范围PSRR下降较为平缓。方法1在低频范围（<9 kHz）测试的PSRR值不稳定的原因是由其L和C构建的高通滤波器的3dB频率点所限制。理论上，由式（2）可计算出方法1可测量的最低PSRR频率范围，由L=2.2μH，C=330μF，依据式（2）计算得到fmin=5.9kHz。因此，理论上低于3 dB点的频率（<5.9 kHz）将被减弱，使得测量变得困难。从图中可以发现，实测的频率转折点约为5～9 kHz，与理论的3dB频率点（5.9kHz）是相吻合的。

基于LC总和节点法的PSRR测试方法对低频范围PSRR测量的不确定度加大，不能真实反映LDO对低频范围电源纹波的抑制能力。不同中频带宽测试条件下1 kHz频率点的PSRR测量值如图6所示，从图中可以看出方法1在不同IFBW测试条件下，1kHz频率点的PSRR波动较大，其方差达4.22，而方法2在相同条件下的方差仅为0.37，因此其在不同测试条件下的PSRR测量结果更具一致性。图6的测量结果说明，若采用方法1对1 kHz频率点的PSRR值进行测量，则不能真实反映该LDO的电源纹波抑制能力，需采用方法2才可测量出准确的PSRR值。

图5 不同测试方法下PSRR随频率变化的测试曲线

图6 不同中频带宽测试条件下的1kHz频率点的PSRR测量值

通过对比方法1与方法2可以发现，方法1在测量低频范围内的PSRR值时有局限，不能真实反映LDO的电源纹波抑制能力，其最低频率范围由其LC构成的3dB点频率值决定。同时，在高频范围方法2也具有更好的测量表现，基于方法2的PSRR测量结果曲线（图5中方法2）与图4中的理论曲线具有更好的吻合度。此外，从图5中可以发现方法2仅在极低频（<30Hz）范围内具有较差的稳定性表现。

4 结束语

LDO广泛应用于各种电子设备的电源领域，PSRR是LDO的关键参数之一，其反映了LDO对电源纹波的抑制能力。不同于传统基于LC总和节点法的PSRR测试方法，文中提出了基于功率分配器和低频网络分析仪的PSRR测试方法，并选用了典型的LDO产品进行了测试验证。实验结果表明文中提出的方法可以实现对低频范围内PSRR值的有效测量，测试最低频率可达30Hz，实现了对LDO的80dB@1 kHz以上的PSRR测试，并且具有较好的PSRR频率测试稳定性。此外，实验结果还表明基于LC总和节点法的PSRR测量最低频率范围由其LC构成的3dB点频率值决定。

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[4]万辉，刘聚川.一种新颖的LDO线性稳压器[J].微电子学，2013，43（3）：359-363.

[5]程红丽，王冠军.一种带阻抗补偿的低功耗低压差线性稳压器[J].半导体技术，2014，39（1）：28-32.

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（编辑：刘杨）

Power supp ly rejection ratio testing of low dropout linear regulator

SHANG Bin，LUO Jun，CAI Zhigang，WANG Xiaoqiang
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Low dropout linear regulator（LDO）has wide applications.As a key parameter of LDO，power supply rejection ratio（PSRR）determines the main performance.To overcome the drawback of low frequency band，low efficiency and non-ability to fulfill the high PSRR testing of traditional method，the testing method of PSRR based on power splitter and low frequency network analyzer is proposed.Typical LDO products are used to evaluate the proposed method based on power splitter and the traditional method based on the combination of inductance and capacitance.Experiment results show that the lowest test frequency of the PSRR testing method based on power splitter can reach 30Hz and it can meet the testing requirement of PSRR up to 70dB.Besides，it has a wide range of frequency and high efficiency.

low dropout linear regulator；power supply rejection ratio；testing method；frequency range

A

1674-5124（2017）05-0015-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.004

2016-09-11；

2016-12-30

尚斌（1982-），男，山西运城市人，工程师，主要从事电磁学计算、科技管理等相关工作。