LT?0342 是一款 200mA、1.8V 至 20V 輸入、線性穩(wěn)壓器,其目標(biāo)是低噪聲 RF 和無線電路。它具有業(yè)界領(lǐng)先的 0.8μV 電壓有效值輸出噪聲(10Hz至100kHz)和令人印象深刻的79dB PSRR(1MHz)。一些客戶要求將電流提高到200mA以上,同時(shí)仍保持低噪聲和高PSRR。本文探討了獲得更高輸出電流的三種方法,并提供了實(shí)用的輸入,以幫助您確定哪種方法最適合您的電路條件。這三種方式是:
使用外部 PNP 轉(zhuǎn)換器
使用外部 NPN 晶體管
并聯(lián)使用多個(gè) LT3042
選擇的PNP和NPN功率晶體管分別是安森美半導(dǎo)體D45VH10和D44VH10。
線性穩(wěn)壓器和PSRR
有幾個(gè)因素決定了線性穩(wěn)壓器的PSRR。其中包括內(nèi)部控制環(huán)路的開環(huán)增益、誤差放大器的帶寬、單位增益頻率、輸出電流、輸出電容的有效串聯(lián)電阻(ESR)和溫度效應(yīng)。由于 LT3042 已經(jīng)包括一個(gè)內(nèi)部調(diào)整管并具有一個(gè)預(yù)先確定的調(diào)節(jié)環(huán)路,因此其中幾個(gè)參數(shù)已經(jīng)固定。我們能做的是調(diào)整PNP和NPN電路以優(yōu)化電路的性能。
LT?3042 線性穩(wěn)壓器
首先觀察 LT3042 的噪聲頻譜密度與頻率的關(guān)系。注意如何增加 C設(shè)置電容(基準(zhǔn)電壓兩端的電容)改善了較低頻率的噪聲密度,增加了輸出電容(C外)提高了300kHz至2MHz頻率范圍內(nèi)的噪聲密度。
LT3042 在接近其壓差電壓時(shí)保持了卓越的 PSRR。下圖顯示了PSRR與輸入/輸出差分電壓的函數(shù)關(guān)系。在滿 350mA 負(fù)載下,典型壓差為 200mV。高于 1V 輸入/輸出差分,對(duì)于 70kHz 至 100MHz 的頻率范圍,PSRR 大于 2dB。
外部 PNP 晶體管電路
對(duì)于PNP電路,我們可以調(diào)諧發(fā)射極和基極之間的阻抗網(wǎng)絡(luò),并調(diào)整輸出電容。D10VH45G 晶體管基極和發(fā)射極之間的 10Ω 電阻器限制了從基極到 LT3042 IN 引腳的電流。該電阻值越高,瞬態(tài)響應(yīng)越快,獲得的PSRR越高。但是,該電阻越高,系統(tǒng)就越不穩(wěn)定。因此,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)22uF電容,并串聯(lián)一個(gè)0.2Ω電阻以確保穩(wěn)定性。這些值是通過經(jīng)驗(yàn)獲得的。電容值越高,獲得的PSRR越高。使用具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)和低有效串聯(lián)電感(ESL)的輸出電容器也能獲得最佳性能。選擇10uF電容器。
LT3042 具有外部 PNP 以增加 I外
測(cè)試結(jié)果如下所示。第一張圖是該電路的噪聲頻譜密度圖與 1A 時(shí)的頻率的關(guān)系圖,與 LT3042 在 0.2A 時(shí)的噪聲頻譜密度圖的比較。請(qǐng)注意,外部PNP電路在大約1MHz時(shí)提供類似的性能。在1MHz時(shí),兩個(gè)圖表發(fā)散,PNP電路顯示噪聲密度急劇下降,然后在較高頻率下明顯增加。
下圖左側(cè)顯示了采用2V輸入/輸出差分的外部PNP解決方案時(shí)PSRR與頻率的變化。請(qǐng)注意,PSRR 仍然非常好 (70dB PSRR 意味著任何開關(guān)噪聲都會(huì)衰減約 3000),但 PSRR 性能下降 10dB (與沒有 PNP 的 LT3042 相比)意味著不帶 PNP 的 LT3042 要好 3 倍。注意PSRR如何隨著負(fù)載電流的減小而改善。右圖顯示了PSRR如何隨著輸入/輸出電壓差的增加而變化。按最高PSRR的順序列出結(jié)果,得到100kHz,2MHz,500kHz,然后是1MHz。
PSRR, Vin-Vout= 2V
PSRR, I外= 1.5A
外部 NPN 晶體管電路
現(xiàn)在,讓我們將分析轉(zhuǎn)移到使用NPN晶體管來增加輸出電流,如下面的電路所示。在正常工作(無外部晶體管)下,OUT引腳直接連接到OUTS(輸出電壓檢測(cè)引腳)。但是,為了提高電路穩(wěn)定性,OUT和OUTS引腳之間的阻抗網(wǎng)絡(luò)需要調(diào)整。10kΩ電阻限制從基極流向OUTS的電流。10uF電容穩(wěn)定系統(tǒng)。
LT3042 具有外部 NPN 以增加 I外
下圖顯示了 200mA LT3042 電路與 1A LT3042 加 NPN 解決方案之間的噪聲密度差異。NPN解決方案在大約100kHz之前具有略高的噪聲密度,但隨后其噪聲密度顯著下降。在3MHz附近,圖形圖交叉。
下圖和左圖顯示了使用與PNP電路相同的條件時(shí)NPN電路的PSRR與頻率的變化。比較這些結(jié)果揭示了類似的負(fù)載電流趨勢(shì),即;PSRR隨著負(fù)載電流的增加而增加。在兩個(gè)電路的輸出電流相似(例如1A)的情況下,NPN電路從低得多的PSRR值(60dB)開始,并隨著頻率的增加相當(dāng)一致地上升到近80dB;PNP電路數(shù)據(jù)呈彎曲形狀——它從高PSRR(80dB)開始,下降到約60dB,然后在較高頻率下再次上升到大約70dB。
PSRR, V在-V外= 2V
PSRR, I外= 1.0A
現(xiàn)在觀察 PSRR 與 V在-to-V外右側(cè)的差分圖。即使輸出電流略低于上述類似的PNP電路(1A與1.5A),也可以進(jìn)行一些一般性觀察。首先,PSRR隨著MOSFET接近壓差而降低。此外,隨著V電壓的提高,PSRR至少提高了20dB。在-to-V外差分大于3.5V。對(duì)于NPN電路,頻率的排名,從高到低,最佳PSRR列在第一位:2MHz,1MHz,100kHz和500kHz。請(qǐng)注意,這與PNP電路有何不同,PNP電路的頻率排序順序?yàn)?00kHz,2MHz,500kHz,然后是1MHz。
接下來觀察PNP和NPN電路的瞬態(tài)響應(yīng)。在1A負(fù)載階躍下,NPN電路的建立時(shí)間要長得多,但峰值電壓確實(shí)低了約25%。強(qiáng)調(diào)上述差異的目的不是詳細(xì)解釋原因,而是展示不同的元件和電路條件如何影響電路的運(yùn)行。如果沒有適當(dāng)?shù)睦斫夂驮u(píng)估,這些差異可能會(huì)導(dǎo)致性能、穩(wěn)定性和可靠性問題。
NPN 瞬態(tài)響應(yīng)
PNP 瞬態(tài)響應(yīng)
并聯(lián) LT3042 的
增加輸出電流的另一種方法是并聯(lián)多個(gè) LT3042 的輸出。LT3042 具有一個(gè)精準(zhǔn)的電流源基準(zhǔn)片內(nèi),這使得并聯(lián)輸出和均流變得非常簡(jiǎn)單。每個(gè)輸出端都需要一個(gè)小的鎮(zhèn)流電阻器,以防止輸出相互對(duì)抗。下圖示出了四個(gè) LT3042,其輸出并聯(lián)以獲得一個(gè) 0.8A 解決方案。
并聯(lián)器件的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是降低了輸出噪聲頻譜密度。為了更好地理解為什么會(huì)發(fā)生這種情況,請(qǐng)參閱博客“并聯(lián)放大器提高SNR性能”雖然本博客討論了放大器噪聲,但相同的概念也可以應(yīng)用于線性穩(wěn)壓器輸出噪聲。下圖顯示了 LT3042、LT3042 加外部 PNP 晶體管、LT3042 加外部 NPN 晶體管和并聯(lián) LT3042 電路的結(jié)果。正如預(yù)期的那樣,并行解決方案具有最佳性能。
并聯(lián)器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是PSRR不會(huì)降低;如下圖所示,它保持相對(duì)恒定,與NPN和PNP電路不同。NPN 電路數(shù)據(jù)為淺棕色,PNP 數(shù)據(jù)為藍(lán)色,LT3042 數(shù)據(jù)為紅色,并聯(lián)的 LT3042 電路數(shù)據(jù)為綠色。紅線和綠線非常相似;并聯(lián)電路在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持高PSRR。
最后,正如人們所期望的那樣,并聯(lián)的LT3042電路具有最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。NPN和PNP電路的附加電路使控制環(huán)路復(fù)雜化,并減慢了瞬態(tài)響應(yīng)。利用四個(gè)并聯(lián)的 LT3042 (800mA) 時(shí),瞬態(tài)響應(yīng)具有較小的過沖和下沖,建立速度比 20A PNP 電路快約 1 倍,比 100A NPN 解決方案快 1 倍。
總之,有幾種方法可以增加超低噪聲、超高PSRR LT3042的輸出電流。從上述數(shù)據(jù)可以看出,并行解決方案可產(chǎn)生最佳的PSRR、最佳的噪聲頻譜密度和最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。如果其中任何一個(gè)是關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)范,則建議使用此解決方案。該解決方案還提供電流限制和熱關(guān)斷保護(hù)。然而,權(quán)衡是解決方案成本。
PNP 解決方案更具成本效益,并且在需要大于 1A 的輸出電流時(shí)具有更好的 PSRR。它具有1.5V (近似)壓差,不提供熱關(guān)斷保護(hù)。
NPN解決方案還具有成本效益,當(dāng)輸出電流小于1A時(shí)具有更好的PSRR。它還具有1.5V (近似)壓差,不提供熱關(guān)斷保護(hù)。
審核編輯:郭婷
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