低壓差穩壓器（LDO）是看似簡單的器件，可提供關鍵功能，例如將負載與臟源隔離或為功耗敏感電路創建低噪聲源。

本簡短教程介紹了LDO使用的一些常用術語，解釋了壓差、裕量電壓、靜態電流、接地電流、關斷電流、效率、直流線路和負載調節、瞬態線路和負載響應、電源抑制比（PSRR）、輸出噪聲和精度等基本概念，并使用示例和圖表使其易于理解。

LDO通常在設計過程的后期被選中，很少進行分析。本文介紹的概念將使設計人員能夠根據系統要求選擇最佳的LDO。

壓差電壓

壓差（V輟學） 是輸入至輸出電壓差，在該電壓差下，LDO 不再能夠針對輸入電壓的進一步降低進行調節。在壓差區域，調整元件的作用類似于電阻，其值等于漏源導通電阻（RDS上).壓差，以RDS表示上和負載電流，是

VDROPOUT = ILOAD × RDSON

目錄上包括來自調整元件、片內互連、引線和鍵合線的電阻，可通過LDO的壓差估算。例如，WLCSP中的ADP151在負載為200 mA時，最差壓差為200 mV，因此RDSON約為1.0 Ω。圖1顯示了LDO的簡化原理圖。在壓差中，可變電阻接近于零。LDO無法調節輸出電壓，因此線路和負載調整率、精度、PSRR和噪聲等其他參數毫無意義。

圖1.LDO 的簡化原理圖。

圖2顯示了3.0 V ADM7172 LDO的輸出電壓與輸入電壓的關系。172 A時的壓差典型值為2 mV，因此RDS上約為 86 mΩ。壓差區域從大約3.172 V輸入電壓向下延伸至2.3 V，低于2.3 V時，器件無法正常工作。負載電流較小時，壓差相應較低：1 A時，壓差為86 mV。低壓差使穩壓器的效率最大化。

圖2.3.0 V ADM7172 LDO的壓差區域。

裕量電壓

裕量電壓是LDO滿足其規格所需的輸入至輸出電壓差。數據手冊通常將裕量電壓顯示為指定其他參數的條件。裕量電壓通常約為400 mV至500 mV，但有些LDO需要高達1.5 V的電壓，裕量電壓不應與壓差電壓混淆，因為它們僅在LDO處于壓差時相同。

靜態電流和接地電流

靜態電流 （IQ） 是當外部負載電流為零時為 LDO 的內部電路供電所需的電流。它包括帶隙基準電壓源、誤差放大器、輸出電壓分壓器以及過流和過熱檢測電路的工作電流。靜態電流量由拓撲、輸入電壓和溫度決定。

IQ = IIN @ no load

當輸入電壓在160 V至2.5 V之間變化時，ADP5 LDO的靜態電流幾乎恒定，如圖3所示。

圖3.靜態電流與ADP160 LDO輸入電壓的關系

接地電流（I接地） 是輸入電流和輸出電流之差，必須包括靜態電流。低接地電流使LDO效率最大化。

IGND= IIN– IOUT

圖4顯示了ADP160 LDO的接地電流變化與負載電流的關系。

圖4.ADP160 LDO的接地電流與負載電流的關系

對于高性能CMOS LDO，接地電流通常遠小于負載電流的1%。接地電流隨負載電流的增加而增加，因為PMOS調整元件的柵極驅動必須增加，以補償由其R引起的壓降。上.在壓差區域，接地電流也會隨著驅動器級開始飽和而增加。CMOS LDO在低功耗或小偏置電流至關重要的應用中至關重要。

關斷電流

關斷電流是禁用輸出時LDO吸收的輸入電流。基準和誤差放大器在關斷模式下不上電。較高的漏電流會導致關斷電流隨溫度升高而增加，如圖5所示。

圖5.關斷電流與ADP160 LDO溫度的關系

效率

LDO的效率由接地電流和輸入/輸出電壓決定：

效率 =IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

為了提高效率，裕量電壓和接地電流必須最小化。此外，輸入和輸出之間的電壓差必須最小化。無論負載條件如何，輸入至輸出電壓差都是決定效率的內在因素。例如，3.3 V LDO在由66 V供電時永遠不會超過5%，但當輸入電壓降至91.7 V時，它將上升到最高3.6%。LDO 的功耗為 （VIN – VOUT） × IOUT。

直流負載調整率

負載調整率是衡量LDO在不同負載條件下保持指定輸出電壓的能力的指標。負載調整率（如圖6所示）定義為

負載調整率 = ?V外/?I外

圖6.ADM7172 LDO的輸出電壓與負載電流的關系

直流線路調節

線路調整率是衡量LDO在變化的輸入電壓下保持指定輸出電壓的能力的指標。線路調整定義為

線路調整率 = ?VOUT/?VIN

圖7顯示了ADM7172在不同負載電流下的輸出電壓與輸入電壓的關系。隨著負載電流的增加，線路調節會變差，因為LDO的總環路增益會降低。此外，LDO的功耗隨著輸入至輸出電壓差的增加而增加。這會導致結溫升高，在這種情況下，帶隙電壓和內部失調電壓降低。

圖7.ADM7172 LDO的輸出電壓與輸入電壓的關系

直流精度

總體精度考慮了線路和負載調節、基準電壓漂移和誤差放大器電壓漂移的影響。穩壓電源的輸出電壓變化主要是由于基準電壓和誤差放大器的溫度變化造成的。如果使用分立電阻來設置輸出電壓，則電阻的容差很可能是影響整體精度的最大因素。線路和負載調節以及誤差放大器失調通常占總精度的1%至3%。

例如，使用以下工作特性計算 3.3V LDO 在 0°C 至 125°C 溫度范圍內的總精度：電阻溫度系數±100 ppm/°C、±0.25% 采樣電阻容差、負載調整率和線路調整率分別引起的±10 mV 和 ±5 mV 輸出電壓變化，以及 1% 基準電壓源精度。

溫度引起的誤差 = 125°C × ±100 ppm/°C = ±1.25%

采樣電阻引起的誤差 = ±0.25%

負載調整率引起的誤差 = 100% × （±0.01 V/3.3 V） = ±0.303%

線路調整率引起的誤差 = 100% × （±0.005 V/3.3 V） = ±0.152% 基準誤差 = ±1%

最壞情況下的錯誤假定所有錯誤都在同一方向上變化。

最壞情況誤差 = ±（1.25% + 0.25% + 0.303% + 0.152% + 1%） = ±2.955%

典型誤差假定隨機變化，因此使用誤差的平方根和 （rss）。

典型誤差 = ±√（1.252+ 0.252+ 0.3032+ 0.1522+ 12） = ±1.655%

LDO永遠不會超過最壞情況下的誤差，而rss誤差是最有可能的。誤差分布將以 rss 誤差為中心，并擴散到包括尾部的最壞情況誤差。

負載瞬態響應

負載瞬態響應是負載電流階躍變化的輸出電壓變化。它是輸出電容值、電容的等效串聯電阻（ESR）、LDO控制環路的增益帶寬以及負載電流變化的大小和壓擺率的函數。

負載瞬態的壓擺率會對負載瞬態響應產生巨大影響。如果負載瞬態非常慢，例如100 mA/μs，則LDO的控制環路可能能夠跟隨變化。但是，如果負載瞬態快于環路的補償速度，則可能會出現不良行為，例如由于相位裕量低而導致的過度振鈴。

圖8顯示了ADM7172在1 mA至1.5 A負載瞬態和3.75 A/μs壓擺率下的響應。1.5%的0.1 μs恢復時間和最小的振鈴表明相位裕量良好。

圖8.ADM7172負載瞬態響應1 mA 至 1.5 A 負載階躍，400 ns（紅色）。輸出電壓（藍色）。

線路瞬態響應

線路瞬態響應是輸入電壓階躍變化的輸出電壓變化。它是LDO控制環路的增益帶寬以及輸入電壓變化的大小和壓擺率的函數。

圖9顯示了ADM7150對2 V輸入電壓階躍變化的響應。輸出電壓偏差提供了環路帶寬和PSRR的指示（參見下一節）。輸出電壓在2.2 μs內響應1 V變化而變化約5 mV，表明在約60 kHz時PSRR約為100 dB。

同樣，與負載瞬變的情況一樣，輸入電壓的壓擺率對表觀線路瞬態響應有很大影響。緩慢變化的輸入電壓（在LDO帶寬內）可以隱藏振鈴或其他不良行為。

圖9.ADM7150線路瞬態響應5 V至7 V線路步進，1.5 μs（紅色）。輸出電壓（藍色）。

電源抑制

簡而言之，PSRR是衡量電路抑制電源輸入端外來信號（噪聲和紋波）以防止它們損壞輸出的程度的指標。PSRR 定義為

PSRR = 20 × log(VEIN/VEOUT)

其中 VEIN 和 VEOUT 分別是出現在輸入和輸出端的無關信號。

對于ADC、DAC和放大器等電路，PSRR適用于為內部電路供電的輸入。對于LDO，輸入電源引腳為穩壓輸出電壓和內部電路供電。PSRR與直流線路調節具有相同的關系，但包括整個頻譜。

100 kHz至1 MHz范圍內的電源抑制非常重要，因為開關模式電源經常用于高效電源系統，LDO會清理敏感模擬電路的噪聲電源軌。

LDO的控制環路往往是決定電源抑制的主要因素。高值、低ESR電容可能是有益的，特別是在超出控制環路增益帶寬的頻率下。

PSRR與頻率的關系

PSRR不是由單個值定義的，因為它與頻率相關。LDO 由基準電壓、誤差放大器和電源傳輸元件（如 MOSFET 或雙極晶體管）組成。誤差放大器提供直流增益以調節輸出電壓。誤差放大器的交流增益在很大程度上決定了PSRR。典型的LDO在80 Hz時可以具有高達10 dB的PSRR，但在幾十千赫茲時，PSRR可以降至20 dB。

圖10顯示了誤差放大器的增益帶寬與PSRR之間的關系。這個簡化的示例忽略了輸出電容和調整元件的寄生效應。PSRR是開環增益的倒數，直到增益開始以3 kHz滾降。然后，PSRR降低20 dB/十倍頻程，直到在0 MHz及以上時達到3 dB。

圖 10.簡化的LDO增益與PSRR的關系

圖11顯示了表征LDOPSRR的三個主要頻域：參考PSRR區域、開環增益區域和輸出電容區域。基準PSRR區域取決于基準放大器的PSRR和LDO的開環增益。理想情況下，基準放大器與電源中的擾動完全隔離，但實際上，基準電壓源只需抑制高達幾十赫茲的電源噪聲，因為誤差放大器反饋可確保低頻下的高PSRR。

圖 11.典型LDO PSRR與頻率的關系

在約10 Hz以上，第二區域的PSRR主要由LDO的開環增益主導。該區域的PSRR是誤差放大器增益帶寬（直至單位增益頻率）的函數。在低頻時，誤差放大器的交流增益等于直流增益。增益保持不變，直到達到3 dB滾降頻率。當頻率高于3 dB滾降點時，誤差放大器的交流增益隨頻率降低，通常為20 dB/十倍頻程。

高于誤差放大器的單位增益頻率，控制環路的反饋對PSRR沒有影響，PSRR由輸出電容以及輸入和輸出電壓之間的任何寄生效應決定。輸出電容的ESR和ESL以及電路板布局在這些頻率下對PSRR有強烈影響。仔細注意布局對于減少任何高頻共振的影響至關重要。

PSRR與負載電流的關系

負載電流會影響誤差放大器反饋環路的增益帶寬，因此也會影響PSRR。在輕負載電流（通常小于50 mA）下，調整元件的輸出阻抗很高。由于控制環路的負反饋，LDO的輸出似乎是理想的電流源。由輸出電容和調整元件形成的極點發生在相對較低的頻率下，因此PSRR在低頻時趨于增加。輸出級在低電流下的高直流增益也傾向于在遠低于誤差放大器單位增益點的頻率下增加PSRR。

在重負載電流下，LDO輸出看起來不太像理想的電流源。調整元件的輸出阻抗降低，降低輸出級的增益，降低直流與反饋環路單位增益頻率之間的PSRR。PSRR會隨著負載電流的上升而急劇下降，如圖12所示。當負載從400 mA增加到800 mA時，ADM7150的PSRR在20 kHz時降低1 dB。

輸出級帶寬隨著輸出極點頻率的增加而增加。在高頻下，PSSR應該由于帶寬增加而增加，但實際上，由于整體環路增益的降低，高頻PSRR可能不會改善。一般來說，輕負載時的PSRR比重負載時的PSRR更好。

圖 12.ADM7150電源抑制與頻率的關系V外= 5 V， V在= 6.2 V.

PSRR與LDO裕量的關系

PSRR也是輸入至輸出電壓差或裕量的函數。對于固定裕量電壓，PSRR隨著負載電流的增加而降低;這在重負載電流和小裕量電壓下尤其明顯。圖13顯示了5 A負載下7172 V ADM2的PSRR與裕量電壓的差異。

隨著負載電流的增加，調整元件（ADM7172的PMOSFET）的增益會降低，因為它離開飽和狀態并進入三極管工作區域。這會導致LDO的總環路增益降低，從而降低PSRR。裕量電壓越小，增益降低越明顯。在較小的裕量電壓下，控制環路根本沒有增益，PSRR降至幾乎為零。

降低環路增益的另一個因素是調整元件RDS的非零電阻上.RDS 兩端的壓降上由于負載電流從調整元件的有效部分的裕量中減去。例如，對于1 Ω調整元件，200 mA負載電流可將裕量減少200 mV。在1 V或更低的裕量電壓下工作LDO時，在估算PSRR時必須考慮此壓降。

在壓差中，PSRR是由于RDS形成的極點上和輸出電容。在非常高的頻率下，PSRR將受到輸出電容ESR與RDS之比的限制上.

圖 13.ADM7172電源抑制與裕量的關系，V外= 5 V，2 A 負載電流。

比較 LDO PSRR 規格

比較 LDO PSRR 規格時，請確保在相同的測試條件下進行測量。許多較舊的LDO僅將PSRR指定為120 Hz或1 kHz，而未提及裕量電壓或負載電流。至少，電氣規格表中的PSRR應針對不同的頻率列出。理想情況下，應使用不同負載和裕量電壓下PSRR的典型特征圖進行有意義的比較。

輸出電容在高頻時也會影響LDO PSRR。例如，1μF 電容器的阻抗是 10μF 電容器的 10×。當頻率高于誤差放大器的單位增益交越頻率時，電容值尤其重要，因為電源噪聲的衰減是輸出電容的函數。比較PSRR數字時，輸出電容的類型和值必須相同，比較才有效。

輸出噪聲電壓

輸出噪聲電壓是在恒定輸出電流和無紋波輸入電壓條件下，給定頻率范圍（通常為10 Hz或100 Hz至100 kHz）內的均方根輸出噪聲電壓。LDO中輸出噪聲的主要來源是內部基準電壓和誤差放大器。現代LDO以僅幾十納安的內部偏置電流工作，以實現15 μA或更低的靜態電流。這些低偏置電流需要使用高達GΩ的偏置電阻。輸出噪聲范圍通常為5 μV rms至100 μV rms。圖14顯示了ADM7172的輸出噪聲與負載電流的關系。

一些LDO（如ADM7172）可以使用外部電阻分壓器將輸出電壓設置為初始設定點以上，例如，允許1.2 V器件提供3.6 V輸出。可以在該分壓器上添加降噪網絡，將輸出噪聲恢復到接近原始固定電壓版本的水平。

圖 14.ADM7172輸出噪聲與負載電流的關系

表示LDO輸出噪聲的另一種方法是噪聲頻譜密度。在給定頻率下，1 Hz帶寬上的均方根噪聲在寬頻率范圍內繪制。然后，該信息可用于計算給定帶寬下特定頻率下的均方根噪聲。圖15顯示了ADM1在10 Hz至7172 MHz范圍內的噪聲頻譜密度。

圖 15.ADM7172噪聲頻譜密度與負載電流的關系

結論

LDO 是提供關鍵功能的簡單設備。必須考慮許多因素才能正確應用它們并獲得最佳結果。通過對常用LDO術語的基本了解，設計工程師可以成功地瀏覽數據手冊，以確定對設計最重要的參數。

審核編輯：郭婷