王長鑫，張虹，高會壯，陳波

(航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100039)

0 引言

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)是一種線性電源，它是一種自耗非常低的微型片上系統(tǒng)(SoC)，具有外圍器件少、PCB 面積小、輸出噪聲低、沒有紋波、壓差低、效率高、瞬態(tài)響應(yīng)快、電源抑制比高、穩(wěn)定性高、成本低等的優(yōu)點(diǎn)，近些年來在電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

隨著國產(chǎn)LDO 器件在裝備中的大量應(yīng)用，為保障元器件應(yīng)用可靠性，需對標(biāo)同類型進(jìn)口器件的電參數(shù)及性能，對國產(chǎn)LDO 器件開展驗證工作。輸出噪聲指標(biāo)是衡量LDO 品質(zhì)的一個極其重要的關(guān)鍵參數(shù)[2]，近年來，學(xué)者們已在低噪聲LDO 設(shè)計方向做了很多努力[3-5]，而其測試方法的確定也因此極為重要。因此對國產(chǎn)LDO 器件的生產(chǎn)制造和測試有如下要求：(1)國產(chǎn)LDO 器件的輸出噪聲等主要性能參數(shù)指標(biāo)需滿足實際應(yīng)用需求，或達(dá)到進(jìn)口器件水平；(2)國內(nèi)鑒定機(jī)構(gòu)和驗證單位需具備針對LDO 器件的低水平輸出噪聲參數(shù)的測試能力。

此外，由于部分低噪聲LDO 器件的輸出噪聲很小，如果測試方法不當(dāng)，器件輸出噪聲信號就會被測試設(shè)備本身產(chǎn)生的背景噪聲所干擾，從而得到錯誤的LDO輸出噪聲技術(shù)指標(biāo)[6]。國軍標(biāo)手冊上的原理性測試電路圖又缺乏具體的針對性，這些困難給LDO 產(chǎn)品的檢測與應(yīng)用評價帶來不利影響，因此需要研究適用于低噪聲LDO 的輸出噪聲測試實現(xiàn)方法。

1 半導(dǎo)體器件噪聲特性分析

根據(jù)采用晶體管工藝類型的不同，可以將LDO 分為雙極型和CMOS 型兩種。采用典型CMOS 工藝的LDO 穩(wěn)壓器電路中包括PMOS、NMOS、電阻、電容和襯底PNP管。針對雙極型工藝的LDO 穩(wěn)壓器，還需主要關(guān)注三極管的噪聲來源和等效輸入噪聲[7]。

半導(dǎo)體器件中的噪聲主要可分為熱噪聲、散粒噪聲和1/f 噪聲等。

1.1 熱噪聲

當(dāng)溫度處于絕對零度以上時，載流子將一直做無規(guī)則的熱運(yùn)動。這種無規(guī)則運(yùn)動疊加在載流子的有規(guī)則運(yùn)動之上，使電流流動時產(chǎn)生波動，進(jìn)而引起導(dǎo)體兩端電壓的無規(guī)則起伏，產(chǎn)生熱噪聲[8]。

電阻的噪聲主要為熱噪聲，它與絕對溫度成正比[9]，因此電路在低溫工作時可以減小電阻熱噪聲。電阻的熱噪聲可以串聯(lián)一個噪聲電壓源來模擬，如圖1 所示。

圖1 電阻的熱噪聲等效圖

電阻每單位帶寬內(nèi)的熱噪聲功率，單位是V2/Hz，它的譜密度可以表示為：

式中k是玻爾茲曼常數(shù)(k＝1.38×10-22JK)，T是絕對溫度，R為電阻值。減小電阻值可以減小熱噪聲。

由于MOS 器件內(nèi)存在溝道電阻，因此MOS 器件也存在熱噪聲。LDO 內(nèi)部的MOS 晶體管的熱噪聲主要由導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，一般可在漏源兩端連接個電流源來模擬：

式中g(shù)m是MOS 管跨導(dǎo)。γ 是與工藝相關(guān)的系數(shù)，對于長溝道器件，γ 的值相對較小，一般為2/3。MOS 管熱噪聲電壓的均方值與輸出阻抗成正比，即對給定的壓降，熱噪聲反比于器件電流的平方根。漏極電流較大的MOS管有較小的熱噪聲，因此可以通過增大其跨導(dǎo)來降低熱噪聲。

1.2 散粒噪聲

散粒噪聲產(chǎn)生的本質(zhì)是載流子的離散性，又稱為散彈噪聲。通常是由于PN 結(jié)正向?qū)〞r多子和少子的隨機(jī)復(fù)合造成的，因而主要存在于結(jié)型器件中。而JFET 和MOSFET 中的散粒噪聲很小，通常可以忽略。散粒噪聲的均方值為：

式中△f 為帶寬，I 為平均直流電流，q 為電子電荷。

散粒噪聲在一定頻率內(nèi)是白噪聲，僅取決于流過器件的直流電流，改變偏置電流就可以控制散粒噪聲[7]。隨著電流的增加，散彈噪聲波動會趨向平滑，即散彈噪聲降低。

1.3 1/f 噪聲

在MOS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，柵極氧化層和襯底之間的界面上存在污染和結(jié)晶缺陷。它們會隨機(jī)地捕獲和釋放電子或空穴，使電流流動時產(chǎn)生波動，產(chǎn)生1/f 噪聲。1/f 噪聲又可稱為閃爍噪聲，其譜密度的大小與頻率成反比，一般可在柵極串聯(lián)一個電壓源來表示：

式中K 是與工藝相關(guān)的系數(shù)。從式中可以看出1/f 噪聲與頻率和器件尺寸成反比，因此通過增加器件的面積可以減小1/f 噪聲[10]。

MOSFET 的電壓噪聲以熱噪聲和1/f 噪聲為主，低頻時主要是1/f 噪聲，高頻時主要是熱噪聲。相同電流下，雙極型晶體管的跨導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MOS 管。因此與MOS 管相比，雙極型晶體管有更小的1/f 噪聲，因此在合適的條件下可以選用雙極型晶體管來代替MOS 管。

基于silvaco TCAD 分別建立相同結(jié)構(gòu)的PMOS和NMOS 器件模型，仿真計算其1/f 噪聲水平如圖2、圖3 所示。在相同結(jié)構(gòu)下，PMOS 器件的1/f 噪聲水平比NMOS 器件低。這是由于PMOS 器件的空穴輸運(yùn)距離硅-氧化物界面有一定距離，因此它的1/f 噪聲水平比NMOS 的低。

圖2 MOS 器件的模型結(jié)構(gòu)

圖3 MOS 器件的1/f 噪聲

通過增大MOS 晶體管的面積、減薄柵氧化膜的厚度和采用PMOS 晶體管代替NMOS 等方法，可以降低MOS晶體管的1/f 噪聲水平。但由于不同的電參數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求不同，甚至是相互矛盾的，考慮到器件的其他工作電參數(shù)，需要在芯片設(shè)計制造時做出總體的權(quán)衡[11]。

2 LDO 基本結(jié)構(gòu)和噪聲來源分析

LDO 器件的基本電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由基準(zhǔn)電壓模塊、誤差放大器、功率管和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。

圖4 LDO 基本電路結(jié)構(gòu)示意圖

由基準(zhǔn)電壓模塊產(chǎn)生的精確穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓與反饋網(wǎng)絡(luò)反饋的輸出電壓，分別連接到誤差放大器的輸入端。誤差放大器輸出端連接功率管，對輸出電流大小進(jìn)行調(diào)整，使器件的輸出電壓穩(wěn)定在額定值。輸出電壓在一定范圍內(nèi)應(yīng)不受工藝、溫度和電源電壓的影響。

LDO 的輸出電壓取決于基準(zhǔn)電壓值和反饋電阻值[10]。

其中，VREF為基準(zhǔn)電壓模塊提供的參考電壓，R1和R2為反饋電阻。當(dāng)器件內(nèi)部的參考電壓一定時，可以通過調(diào)整反饋電阻值的比例，來控制LDO 輸出電壓的大小。

在LDO 器件的各個組成部分中，主要噪聲源包括基準(zhǔn)電壓源、分壓電阻網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器。LDO 的噪聲模型如圖5 所示。

圖5 LDO 噪聲模型

在基準(zhǔn)源的輸出端加一個較大的旁路電容可以濾除大部分高頻噪聲，但大容量旁路電容會導(dǎo)致基準(zhǔn)源的啟動時間延長。基準(zhǔn)源的輸出電壓噪聲包括熱噪聲和1/f噪聲，使用低通濾波器可以有效濾除熱噪聲。1/f 噪聲是基準(zhǔn)源內(nèi)部的固有噪聲，無法消除。

在芯片設(shè)計時減小分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值，可以降低其噪聲水平，但減小電阻值會同時增大系統(tǒng)的靜態(tài)電流值。

由于誤差放大器的增益較大，其后的器件噪聲經(jīng)過放大器衰減后比較小，可以忽略不計，如功率管本身的尺寸很大，溝道電阻很小，等效跨導(dǎo)大，因此產(chǎn)生的噪聲很小，一般忽略功率管噪聲在器件中的影響[12-13]。

3 低噪聲LDO 輸出噪聲測試方法研究

低噪聲鎳氫電池組是最為簡單實用的低噪聲電壓偏置源，需要實現(xiàn)大電壓時將其進(jìn)行串聯(lián)，此外對鎳氫電池自身噪聲測試結(jié)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(dá)到對低壓差線性電壓調(diào)整器低噪聲電壓進(jìn)行準(zhǔn)確考核的目的[14]。

一般來說，電池的輸出阻抗隨著頻率的增加而增加，因此在電池供電的電路中最好包括旁路濾波電容。這樣可以最大程度降低電源噪聲，避免對元器件噪聲測試結(jié)果的準(zhǔn)確度造成影響。因此在本文采用的電池供電電路中，使用1 μF 的電容進(jìn)行濾波。

本文使用簡單直流偏置交流耦合噪聲測量原理電路，在輸出端使用10 μF 的耦合電容。簡單直流偏置交流耦合噪聲測量方法簡單易操作，當(dāng)元器件測試頻率相對較高(＞0.1 Hz)時，常會采用該方法[15]。

本文基于國軍標(biāo)手冊中的輸出噪聲測試原理框圖，采用低噪聲鎳氫電池組作為偏置源進(jìn)行供電，并在測試電路中加入濾波電容和耦合電容，以降低本底噪聲及其對輸出噪聲測試的影響。搭建符合要求的輸出噪聲測試系統(tǒng)，結(jié)合典型器件進(jìn)行驗證。

本文所搭建的測試系統(tǒng)由偏置電路、適配器、低通濾波器、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡和噪聲分析軟件等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖6 所示?；诖罱ê玫妮敵鲈肼暅y試系統(tǒng)，本文所進(jìn)行的LDO 的輸出噪聲測試流程如圖7 所示。

圖6 輸出噪聲測試系統(tǒng)

圖7 LDO 噪聲測試流程

對于電子元器件的輸出噪聲測量標(biāo)準(zhǔn)在國際上普遍采用的主要有兩種：一種是表示為以Vrms為單位的輸出噪聲電壓的總均方根，這是在某一頻率范圍內(nèi)的噪聲的有效值的量度，即把噪聲功率譜密度在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行積分，因此可以被認(rèn)為是特定頻率范圍內(nèi)的總噪聲[14]；另外一種是給定一些或某些特定頻點(diǎn)噪聲的頻譜密度，它的單位為V2/Hz。

接下來選取一種典型低噪聲LDO 器件進(jìn)行輸出噪聲的實際測試。當(dāng)輸入電壓在3.5 V～20 V 范圍內(nèi)時該LDO 的輸出電壓約為2.5 V，在10～100 kHz 的寬帶噪聲水平則在20 μVrms 以下。該LDO 的輸出噪聲譜密度測試數(shù)據(jù)如表1 所示，功率譜密度圖如圖8 所示。

圖8 某低噪聲LDO 輸出噪聲功率譜密度圖

表1 某低噪聲LDO 輸出噪聲譜密度測試數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)可看出，該測試方法可有效降低測試系統(tǒng)本底噪聲對噪聲測試結(jié)果的影響，該測試系統(tǒng)可測出水平低于20 μVms 的輸出噪聲。

4 結(jié)論

(1)從結(jié)構(gòu)工藝方面分析了LDO 的噪聲來源模塊，包括帶隙基準(zhǔn)電路、誤差放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)電阻等。

(2)在器件的設(shè)計階段，為了降低噪聲，可部分選用雙極型晶體管來代替MOS 管，并且PMOS 器件的1/f 噪聲水平比NMOS 器件低。

(3)電路工作在低溫和增大晶體管的跨導(dǎo)可以降低器件的熱噪聲，增大器件面積和減薄柵氧化膜的厚度可以降低器件的1/f 噪聲。

(4)采用低噪聲鎳氫電池組作為偏置源進(jìn)行供電，并在測試電路中加入濾波電容和耦合電容以降低本底噪聲及其對輸出噪聲測試的影響。搭建LDO 輸出噪聲測試系統(tǒng)，選取典型器件進(jìn)行測試，該測試系統(tǒng)可測出水平低于20 Vms 的輸出噪聲。