直流線(xiàn)性電源參數(shù)詳解
直流線(xiàn)性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要參數(shù)有:輸入輸出電壓差,線(xiàn)性調(diào)節(jié)率,負(fù)載調(diào)節(jié)率,接地電流,電源效率,輸出準(zhǔn)確率,瞬態(tài)響應(yīng),頻率響應(yīng),輸出噪聲電壓等.本文將比較詳細(xì)地分別介紹這些參數(shù)：（主要就三參數(shù)：電源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)、紋波/噪聲效應(yīng)以及分辨率）
輸出電壓差(Dropout voltage)
輸出電壓差在線(xiàn)性穩(wěn)壓器中是一個(gè)非常重要的參數(shù)，而其定義為：當(dāng)輸入電壓（電壓源）降到某個(gè)程度時(shí)，其輸出電壓將不再穩(wěn)壓在預(yù)計(jì)的輸出電壓，而在臨界點(diǎn)時(shí)的輸入電壓與輸出電壓的差值即為壓降電壓。以圖1為例，其輸出電壓差為3.3V-2.5V＝800mV。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是輸出功率晶體管的漏極和源極的壓差，直接關(guān)系到的就是電源功率的消耗，越大的跨壓所損失的功率就越大，所以說(shuō)，輸出電壓差是越小越好。
圖1 LDO輸出與輸入電壓關(guān)系
對(duì)輸出PMOS晶體管而言，其漏極是連接到輸出端，因此當(dāng)輸入端（源極）電壓很小時(shí)，晶體管守閉狀態(tài)，當(dāng)源極電壓加大后，晶體管開(kāi)啟，輸出端電壓開(kāi)始爬升，一直到穩(wěn)定的設(shè)定值之間的這段輸入電壓差，即是輸出電壓差。其實(shí)對(duì)于輸出晶體管來(lái)說(shuō)，就是它的飽和電壓差(VSD-sat)，當(dāng)MOS 晶體管大小確定，且閘極電壓固定之后，其飽和電壓差基本上就不會(huì)改變，所以提供閘極電壓的前一級(jí)放大器，和輸出晶體管的大小在設(shè)計(jì)上都要能達(dá)到理想的輸出電壓差。對(duì)于電源功率消耗的部份，將晶體管飽和電壓（VSD-sat）差乘上輸出端所流過(guò)的電流，即是消耗功率，
P = IOUT ×VSD－sat
對(duì)于一個(gè)可攜帶式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，都是由電池來(lái)提供電源，這部份的電源消耗當(dāng)然是越小越好，以求電池壽命能夠長(zhǎng)久，低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器能夠如此受歡迎的原因，就是在這方面能夠節(jié)省很多的電力。
線(xiàn)性調(diào)節(jié)率(Line regulation)
這項(xiàng)參數(shù)在線(xiàn)性穩(wěn)壓器中也是非常重要的，指的是當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生變化時(shí)，相對(duì)于輸出端電壓的改變。
我們預(yù)期當(dāng)輸入電壓改變時(shí)，輸出電壓能一直維持穩(wěn)定，但是實(shí)際上是有小幅改變，通常以百分比（%）表示。如圖（2）所示，分析電路可得：
圖2 LDO 電路結(jié)構(gòu)
由于輸入電壓改變時(shí)，會(huì)造成反饋電壓的改變，再由誤差放大器加以調(diào)節(jié)輸出晶體管（PMOS），來(lái)控制輸出電壓，因此若增加整個(gè)電路的開(kāi)回路增益，對(duì)于線(xiàn)性調(diào)節(jié)率的提升有很大的幫助。
負(fù)載調(diào)節(jié)率(Load regulation)
相對(duì)于線(xiàn)性調(diào)節(jié)率，線(xiàn)性穩(wěn)壓器另一個(gè)主要考慮就是負(fù)載調(diào)節(jié)率，表示當(dāng)負(fù)載端有變化，也就是輸出電流有改變時(shí)，輸出電壓的變化率。
當(dāng)負(fù)載有變化時(shí)，輸出電壓會(huì)跟著改變，再由反饋網(wǎng)絡(luò)讓誤差放大器對(duì)于電壓變化作反應(yīng)，控制輸出晶體管，輸出電流也會(huì)隨之改變來(lái)應(yīng)整個(gè)電壓的變化。如圖（2）所示，
由式子可以看出，負(fù)載的改變?cè)斐呻妷旱淖兓?，?jīng)誤差放大器放大之后，輸出電流也跟著做變化。明顯的，最后的式子可以得知，負(fù)載調(diào)節(jié)率被線(xiàn)性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)導(dǎo)(Gm，也就是誤差放大器的增益乘上輸出晶體管的電流增益)所限制，所以要改善負(fù)載調(diào)節(jié)率，可以增加DC的電流增益，可以得到不錯(cuò)的效果。
接地電流(Ground current)
接地電流又稱(chēng)為偏壓電流(Quiescent current)，就是輸入電流與輸出電流的差值，關(guān)系到整體的電流效率。
Iq = Iin－Iout
一般而言，靜態(tài)電流包括了電路中的偏壓電流(如：誤差放大器、參考電壓源)和驅(qū)動(dòng)輸出晶體管的電流，這些對(duì)于輸出效率并無(wú)幫助，造成無(wú)謂的消耗電源，因此在設(shè)計(jì)上是越小越好。一個(gè)以雙載子晶體管做為輸出端的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，天生就存在有蠻大的靜態(tài)電流，也就是基極電流，且基極電流是正比于輸出電流，因此它的靜態(tài)電流是會(huì)隨輸出電流增加而變更大。在低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器中，是使用MOS晶體管來(lái)當(dāng)作輸出
晶體管，MOS晶體管是用VGS來(lái)控制電流，而其閘極并無(wú)電流通過(guò)，因此其靜態(tài)電流可以保持固定，且無(wú)視于負(fù)載端的變化，這也是用MOS當(dāng)輸出端優(yōu)于雙載子晶體管的好處之一。
電源效率(Efficiency)
低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器的效率，定義為輸出功率和輸入功率的比值：
由上式可以看出，輸出和輸入電壓差，也是影響效率的因素之一，當(dāng)Iq很小，小到可以忽略的時(shí)候，明顯的效率是由輸出電壓和輸入電壓的比值決定。此外，當(dāng)穩(wěn)壓器操作在無(wú)負(fù)載的時(shí)候，也就是輸出電流為0時(shí)，上式就不適用來(lái)計(jì)算整體效率，此時(shí)Iq就顯得格外重要，Iq越小自然電池壽命也就得以維持更長(zhǎng)久。
輸出準(zhǔn)確率(Output accuracy)
圖3 輸出電壓誤差
輸出電壓的準(zhǔn)確度和低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器的各個(gè)部份的電壓誤差關(guān)系密切，像是：線(xiàn)性調(diào)節(jié)率(ΔVLIR)、負(fù)載調(diào)節(jié)率(ΔVLOR)、參考電壓偏移(ΔVREF)、誤差放大器電壓偏移(ΔVA)、外部回授電阻的誤差(ΔVR)、溫度系數(shù)(ΔTC)…等。
輸出電壓誤差主要是由環(huán)境溫度改變所造成的參考電壓偏移、誤差放大器的特性改變(增益誤差、偏移電流)、電阻值誤差，這些誤差加上線(xiàn)性調(diào)節(jié)率和負(fù)載調(diào)節(jié)率通常會(huì)使得精確度改變1%~3%。另外，制造上的變異也同樣會(huì)造成上述各部份產(chǎn)生誤差。接下來(lái)仔細(xì)討論各部份造成的誤差，就參考電壓源的部份，和輸出電壓的關(guān)系式為：
從上述式子可以得到，參考電壓的誤差會(huì)直接影響到輸出電壓，而且是直接正比于誤差百分比。再有守于誤差放大器的誤差部分：
圖 誤差放大器電壓偏移
考慮 gaβ>>1，將上兩是合并的結(jié)果：
最后是電阻的誤差部分：
圖4 電阻值誤差
關(guān)系式如上式，顯然的，電阻誤差影響輸出電壓相對(duì)于前面幾項(xiàng)來(lái)得比較小，且R2的影響要比R1還要大。
瞬態(tài)響應(yīng)(Transient response)
主要是當(dāng)負(fù)載電流在瞬間改變時(shí)，輸出電壓變化的情況以及電壓回穩(wěn)的時(shí)間。影響到瞬時(shí)響應(yīng)的包括：穩(wěn)壓器的頻寬、輸出電容(Cout)、輸出電容的等效串聯(lián)電阻(Resr)、最大負(fù)載電流…等。
圖5 步階負(fù)載
接下來(lái)分成幾個(gè)部分來(lái)分析當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，輸出電壓的變化。首先以一個(gè)步階負(fù)載應(yīng)用，觀察相對(duì)的輸出電壓反應(yīng)，當(dāng)負(fù)載端忽然從穩(wěn)壓器抽取大量電流，此時(shí)由于穩(wěn)壓器頻寬的關(guān)系，反應(yīng)不及造成無(wú)法及時(shí)提供負(fù)載端足夠的電流，輸出電壓就如圖（5）中T1時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)，產(chǎn)生一段不小的壓降(Vdip)，這段時(shí)間內(nèi)由輸出電容暫時(shí)提供負(fù)載所需的大量電流，由COUT 流向VOUT。
圖（2.8）輸出電壓對(duì)于負(fù)載之變化
T1時(shí)間的大小，主要是由穩(wěn)壓器的頻寬與旋轉(zhuǎn)率所決定時(shí)間T2的長(zhǎng)度與傳輸組件對(duì)Cout充電和穩(wěn)壓器的閉回路相位響應(yīng)有關(guān)，時(shí)間T3的Vpeak是由于當(dāng)負(fù)載瞬間移除，傳輸組件供應(yīng)過(guò)多的電流所致。
時(shí)間T4，穩(wěn)壓器開(kāi)始將電壓拉至設(shè)定的輸出電壓。
輸出電容的等效串聯(lián)電阻
真實(shí)的電容模型如圖（6），真實(shí)電容有寄生電感與電阻。輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是用來(lái)使得LDO能有足夠的頻率穩(wěn)定性，ESR數(shù)值的大小會(huì)影響到零點(diǎn)與極點(diǎn)的位置。LDO制造商通常會(huì)提供建議使用輸出電容值與ESR穩(wěn)定區(qū)間，如圖（7）
圖6 真實(shí)的電容模型
圖7 等效串聯(lián)電阻值穩(wěn)定范圍
頻率響應(yīng)( frequency response)
圖（8），表示LDO 的AC 小訊號(hào)等效電路，分析電路得輸入與反饋的轉(zhuǎn)換函數(shù)： gma 、gmp 分表示誤差放大器之轉(zhuǎn)導(dǎo)與傳輸組件之轉(zhuǎn)導(dǎo)， Rpar,Cpar 表示寄生電阻與電容。
圖8 交流等效電路
經(jīng)由上式可發(fā)現(xiàn)，整個(gè)回路中存在3 個(gè)極點(diǎn)以及一個(gè)零點(diǎn)，這與其穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系。第一個(gè)極點(diǎn)，也就是主極點(diǎn)，是由輸出電容以及低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器的輸出阻抗所造成
第二個(gè)極點(diǎn)，是由誤差放大器到輸出晶體管之間寄生電容和電阻所形成：
第三個(gè)極點(diǎn)，是由輸出電容的等效串連電阻以及Cb 所形成：
至于零點(diǎn)，是由輸出電容以及其等效串連電阻所形成：
極點(diǎn)及零點(diǎn)的位置，與誤差放大器及輸出電容大小有關(guān)。故為了讓整個(gè)電路達(dá)到良好的穩(wěn)定度，便將零點(diǎn)位置控制在單增益頻率（f T）附近，可有效提升電路的相位邊限，進(jìn)而使穩(wěn)定度提高。基于穩(wěn)定度之限制的緣故，使得開(kāi)回路直流增益無(wú)法提高，而造成線(xiàn)性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率與精確度有所限制。若是要有最佳的線(xiàn)性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率與精確度，則必須提升開(kāi)回路直流增益，但無(wú)限制地提高開(kāi)回率直流增益，則會(huì)造成相位邊限的不足。由上面所述，一個(gè)沒(méi)有補(bǔ)償?shù)牡蛪航稻€(xiàn)性穩(wěn)壓器，會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)極點(diǎn)的效果，如圖（9），使得相位在單增益頻率時(shí)變?yōu)?180°，整個(gè)電路也會(huì)因此而震蕩，故由等效串聯(lián)電阻所形成的零點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器而言十分重要，以下對(duì)于這個(gè)等效串聯(lián)電阻加以討論：
當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻太大的情形，如圖（10），會(huì)造成零點(diǎn)位置過(guò)小，使得原本在單增益頻率之下的第三個(gè)極點(diǎn)也跑到前面，而拉低了相位邊限，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。
圖9 無(wú)頻率補(bǔ)償之頻率響應(yīng)
圖10 過(guò)大ESR 之頻率響應(yīng)
再看等效串聯(lián)電阻太小的情況，如圖（11），導(dǎo)致零點(diǎn)位置低于單增益頻率，致使相位邊限并沒(méi)有獲得提升，原本要對(duì)電路作補(bǔ)償?shù)男Ч拖Я恕?/p>
圖11 過(guò)小ESR 之頻率響應(yīng)
圖12 適當(dāng)ESR 之頻率響應(yīng)
總而言之，等效串聯(lián)電阻的值有一個(gè)最適合的范圍，如圖（12），在這范圍內(nèi)都可以使低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器更加穩(wěn)定。因此輸出電容的選取，也顯得格外重要。
輸出噪聲電壓（Output Noise Voltage）
在固定的輸出電流與穩(wěn)定的輸入電壓條件下，給定一段特定的頻率范圍內(nèi)（10Hz～100KHz），量測(cè)輸出噪聲電壓的方均根值。通常來(lái)說(shuō)，誤差放大器與參考電壓源為主要的噪聲來(lái)源，可在輸出端連接旁路電容以減少輸出噪聲。