直流線性電源參數(shù)詳解
直流線性穩(wěn)壓電源設(shè)計應(yīng)考慮的主要參數(shù)有:輸入輸出電壓差,線性調(diào)節(jié)率,負載調(diào)節(jié)率,接地電流,電源效率,輸出準確率,瞬態(tài)響應(yīng),頻率響應(yīng),輸出噪聲電壓等.本文將比較詳細地分別介紹這些參數(shù)：（主要就三參數(shù)：電源效應(yīng)、負載效應(yīng)、紋波/噪聲效應(yīng)以及分辨率）
輸出電壓差(Dropout voltage)
輸出電壓差在線性穩(wěn)壓器中是一個非常重要的參數(shù)，而其定義為：當輸入電壓（電壓源）降到某個程度時，其輸出電壓將不再穩(wěn)壓在預計的輸出電壓，而在臨界點時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。簡單來說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，輸出電壓差是越小越好。
圖1 LDO輸出與輸入電壓關(guān)系
對輸出PMOS晶體管而言，其漏極是連接到輸出端，因此當輸入端（源極）電壓很小時，晶體管守閉狀態(tài)，當源極電壓加大后，晶體管開啟，輸出端電壓開始爬升，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。其實對于輸出晶體管來說，就是它的飽和電壓差(VSD-sat)，當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改變，所以提供閘極電壓的前一級放大器，和輸出晶體管的大小在設(shè)計上都要能達到理想的輸出電壓差。對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的電流，即是消耗功率，
P = IOUT ×VSD－sat
對于一個可攜帶式電子產(chǎn)品來說，都是由電池來提供電源，這部份的電源消耗當然是越小越好，以求電池壽命能夠長久，低壓降線性穩(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。
線性調(diào)節(jié)率(Line regulation)
這項參數(shù)在線性穩(wěn)壓器中也是非常重要的，指的是當輸入電壓產(chǎn)生變化時，相對于輸出端電壓的改變。
我們預期當輸入電壓改變時，輸出電壓能一直維持穩(wěn)定，但是實際上是有小幅改變，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，會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），來控制輸出電壓，因此若增加整個電路的開回路增益，對于線性調(diào)節(jié)率的提升有很大的幫助。
負載調(diào)節(jié)率(Load regulation)
相對于線性調(diào)節(jié)率，線性穩(wěn)壓器另一個主要考慮就是負載調(diào)節(jié)率，表示當負載端有變化，也就是輸出電流有改變時，輸出電壓的變化率。
當負載有變化時，輸出電壓會跟著改變，再由反饋網(wǎng)絡(luò)讓誤差放大器對于電壓變化作反應(yīng)，控制輸出晶體管，輸出電流也會隨之改變來應(yīng)整個電壓的變化。如圖（2）所示，
由式子可以看出，負載的改變造成電壓的變化，經(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，負載調(diào)節(jié)率被線性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)導(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，所以要改善負載調(diào)節(jié)率，可以增加DC的電流增益，可以得到不錯的效果。
接地電流(Ground current)
接地電流又稱為偏壓電流(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)動輸出晶體管的電流，這些對于輸出效率并無幫助，造成無謂的消耗電源，因此在設(shè)計上是越小越好。一個以雙載子晶體管做為輸出端的線性穩(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)電流是會隨輸出電流增加而變更大。在低壓降線性穩(wěn)壓器中，是使用MOS晶體管來當作輸出
晶體管，MOS晶體管是用VGS來控制電流，而其閘極并無電流通過，因此其靜態(tài)電流可以保持固定，且無視于負載端的變化，這也是用MOS當輸出端優(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Iq很小，小到可以忽略的時候，明顯的效率是由輸出電壓和輸入電壓的比值決定。此外，當穩(wěn)壓器操作在無負載的時候，也就是輸出電流為0時，上式就不適用來計算整體效率，此時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久。
輸出準確率(Output accuracy)
圖3 輸出電壓誤差
輸出電壓的準確度和低壓降線性穩(wěn)壓器的各個部份的電壓誤差關(guān)系密切，像是：線性調(diào)節(jié)率(ΔVLIR)、負載調(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，這些誤差加上線性調(diào)節(jié)率和負載調(diào)節(jié)率通常會使得精確度改變1%~3%。另外，制造上的變異也同樣會造成上述各部份產(chǎn)生誤差。接下來仔細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于前面幾項來得比較小，且R2的影響要比R1還要大。
瞬態(tài)響應(yīng)(Transient response)
主要是當負載電流在瞬間改變時，輸出電壓變化的情況以及電壓回穩(wěn)的時間。影響到瞬時響應(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)、最大負載電流…等。
圖5 步階負載
接下來分成幾個部分來分析當負載改變時，輸出電壓的變化。首先以一個步階負載應(yīng)用，觀察相對的輸出電壓反應(yīng)，當負載端忽然從穩(wěn)壓器抽取大量電流，此時由于穩(wěn)壓器頻寬的關(guān)系，反應(yīng)不及造成無法及時提供負載端足夠的電流，輸出電壓就如圖（5）中T1時間內(nèi)的反應(yīng)，產(chǎn)生一段不小的壓降(Vdip)，這段時間內(nèi)由輸出電容暫時提供負載所需的大量電流，由COUT 流向VOUT。
圖（2.8）輸出電壓對于負載之變化
T1時間的大小，主要是由穩(wěn)壓器的頻寬與旋轉(zhuǎn)率所決定時間T2的長度與傳輸組件對Cout充電和穩(wěn)壓器的閉回路相位響應(yīng)有關(guān)，時間T3的Vpeak是由于當負載瞬間移除，傳輸組件供應(yīng)過多的電流所致。
時間T4，穩(wěn)壓器開始將電壓拉至設(shè)定的輸出電壓。
輸出電容的等效串聯(lián)電阻
真實的電容模型如圖（6），真實電容有寄生電感與電阻。輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是用來使得LDO能有足夠的頻率穩(wěn)定性，ESR數(shù)值的大小會影響到零點與極點的位置。LDO制造商通常會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)導與傳輸組件之轉(zhuǎn)導， 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)，整個回路中存在3 個極點以及一個零點，這與其穩(wěn)定度的設(shè)計有密切的關(guān)系。第一個極點，也就是主極點，是由輸出電容以及低壓降線性穩(wěn)壓器的輸出阻抗所造成
第二個極點，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：
第三個極點，是由輸出電容的等效串連電阻以及Cb 所形成：
至于零點，是由輸出電容以及其等效串連電阻所形成：
極點及零點的位置，與誤差放大器及輸出電容大小有關(guān)。故為了讓整個電路達到良好的穩(wěn)定度，便將零點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，進而使穩(wěn)定度提高。基于穩(wěn)定度之限制的緣故，使得開回路直流增益無法提高，而造成線性調(diào)節(jié)率、負載調(diào)節(jié)率與精確度有所限制。若是要有最佳的線性調(diào)節(jié)率、負載調(diào)節(jié)率與精確度，則必須提升開回路直流增益，但無限制地提高開回率直流增益，則會造成相位邊限的不足。由上面所述，一個沒有補償?shù)牡蛪航稻€性穩(wěn)壓器，會因為兩個極點的效果，如圖（9），使得相位在單增益頻率時變?yōu)?180°，整個電路也會因此而震蕩，故由等效串聯(lián)電阻所形成的零點，對于一個低壓降線性穩(wěn)壓器而言十分重要，以下對于這個等效串聯(lián)電阻加以討論：
當?shù)刃Т?lián)電阻太大的情形，如圖（10），會造成零點位置過小，使得原本在單增益頻率之下的第三個極點也跑到前面，而拉低了相位邊限，導致電路不穩(wěn)定。
圖9 無頻率補償之頻率響應(yīng)
圖10 過大ESR 之頻率響應(yīng)
再看等效串聯(lián)電阻太小的情況，如圖（11），導致零點位置低于單增益頻率，致使相位邊限并沒有獲得提升，原本要對電路作補償?shù)男Ч拖Я恕?/p>
圖11 過小ESR 之頻率響應(yīng)
圖12 適當ESR 之頻率響應(yīng)
總而言之，等效串聯(lián)電阻的值有一個最適合的范圍，如圖（12），在這范圍內(nèi)都可以使低壓降線性穩(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），量測輸出噪聲電壓的方均根值。通常來說，誤差放大器與參考電壓源為主要的噪聲來源，可在輸出端連接旁路電容以減少輸出噪聲。