杂讯低、稳定的电源已俨然成为一种趋势，相对的如何避免电源震荡便日趋重要，即便架构较为简单之线性稳压器LDO也会发生；在电子产品小型化的今日，能提供稳定的输出电压及拥有低电压差（Dropout）电压特性之LDO，更显重要。

(图一)(a)所示为线性稳压器之基本架构，其中包含了输出元件、误差放大器、参考电压源及分压回授电阻；而(图一)(b)所示为线性稳压器之小讯号等效电路，输出元件PMOS等效成小讯号模式，和误差放大器所产生的寄生电阻Rpar、电容Cpar，加上输出电容本身之等效电阻RESR及旁路电容Cb。

《图一 (a) LDO基本架构；(b)LDO小讯号等效电路 》

然而线性稳压器LDO如何发生震荡？

LDO的输出电压不只会随所加负载的电流改变，外加的输出稳压电容及其等效串联电阻值（Equivalent Series Resistance，ESR）亦会有所影响，输出电压的变化量可由下列关系式

《公式一》

：输出电压变化量

：ESR值所产生的电压变化量,其值正比于ESR值

:负载瞬间变化稳压器所需之反应时间

由上式可知，及正比于，当瞬间电流越大，或稳压器的反应时间越长，输出电压的变化量就将越大，而增加输出电容值可有效的降低输出电压的震荡幅度。在本文中，将探讨ESR值对LDO的影响及其适当之范围。

频率响应分析

由(图一)(a)之小讯号等效电路，其输出阻抗Zo可表示成

《公式二》

由上式可知，出现一零点及两极点，分别为

《公式三》

《公式四》

而另一极点则取决于Rpar和Cpar

《公式五》

(图二)所示为LDO之频率响应图，实线部分为典型有外加补偿的频率响应图，而虚线则无补偿；负载的电流量将决定极点Po的位置，当电流量越大，Po相对产生在较高频的位置。无任何补偿（只有两个极点）的线性稳压器其输出极易震荡而使回路无法稳定，因其单位增益频率（Unit Gain Frequency，UGF）落在相位-180度，也就是相位边界（Phase Margin）为0度，而无足够的相位边界，如(图二)之虚线所示；为使LDO输出跳动幅度减小，增加零点ZESR可提高相位边界使其大于0度，如(图二)之实线所示。

《图二 LDO之频率响应图》

ESR对LDO之影响

足够的Phase Margin是LDO稳定的必要条件，所以其输出​​稳压电容是必须的，以产生零点ZESR；输出电容之等效电阻ESR须设置在UGF点之前，使其UGF点之Phase Margin可大于0度。然而，电容之ESR值须在适当的范围内以决定系统的稳定性，否则即使增加零点，亦无法有效的减少相位偏移（增加相位边界）；ESR值影响了零点ZESR及极点Pb的位置，当ESR值改变，ZESR、Pb的变化直接影响系统是否稳定。当ESR值过大／过小，UGF点的Phase Margin将小于／等于0度，系统也随之不稳定；若ESR值过大（ZESR过小），UGF将增加到大于极点Pb，而使Phase Margin不足；若ESR值过小（ZESR过大），在尚未到达零点ZESR前其增益已降至0dB，其相位边界为0度，亦使LDO无法稳定。

应用实例

针对LDO之震荡首要考虑为其输出电容之ESR值，小ESR值的电容或许有较好的动态响应，但在补偿方面其效果便似乎不足；所以在选择电容时应以ESR值作为考量以避免LDO输出产生震荡。

以下将以AIC1117做范例，以AIC1117-33加载200mA，并使用不同之电容，量测其输出电压波形，(图三)为使用10μF之陶瓷电容于输入输出端，(图五)显示输出电压产生不正常的涟波；而(图四)使用10μF之电解电容，(图六)则显示输出电压非常稳定。此显示电容的ESR值确实影响输出结果。

《图三 使用10μF陶瓷电容之AIC1117应用电路》

《图四 使用10μF电解电容之AIC1117应用电路》

《图五 AIC1117 abnormal oscillation》

《图六 AIC1117 normal output voltage》

《图七 输出电容=2.2F》

《图八 输出电容=10uF》

结论

LDO本身并不会产生杂讯，除非其输入端或输出端受到外部涟波杂讯干扰，所以LDO的输入输出电容是绝对必要的，而输出电容必须选择在安全的ESR范围里，如(图七)、(图八)所示；若无足够大电容的ESR，LDO将随温度上升而产生震荡；只要能符合ESR的需求，无论是陶瓷电容、铝电解电容或钽质电容均可适用，但在应用上较建议使用电解电容或钽质电容，因为陶瓷电容的ESR值较小，且在温度变化时其特性的变化量也相对提高。

〈参考资料

[1] Y.S. Hsu and G.C. Wu, "Linear regulator design", July 2001

[2] B.S. Lee, "Understanding the stable range of equivalent series resistor of an LDO regulator", Application Note, Texas Instruments, November 1999

[3] Hawk Chen, "A better approach of dealing with ripple noise of LDO", Application Note, Analog Integrations Corporation〉

（作者任职于沛亨半导体产品应用部）