LDO环路稳定性

1、前馈电容对LDO稳定性的影响

经常有LDO要求在反馈电阻R1上并联一个前馈电容CFF，这样做是为了降低误差放大器的噪声增益可使LDO的输出噪声不随输出电压上升而大幅增加。不幸的是，这对于固定输出LDO而言是不可行的，因为反馈节点不易获得。对于可调节输出的LDO是可行的，其中R1和R2设置输出电压。CFF和R1形成了一个零点ZFF=1/(2π×R1×CFF)，该零点增加了正相移，可对LDO环路中的两个低频极点之一进行补偿。不幸的是，它们也产生了一个极点：PFF=1/(2π×R1//R2×CFF)。可能的最大相位超前取决于：VOUT/VFB比零点频率ZFF相对于单位增益的位置。

虽然在大多数LDO中都使用前馈补偿来获得正相移，但是通常还必须通过其他手段来获得额外的相位超前以使得系统具有可接受的相位裕度。下面的就介绍LDO稳压器中绝大多数使用的方法：输出电容的ESR补偿。

2、LDO的输出电容

为了保证更低的输出噪声以及更快的动态响应，传统的晶体管型的LDO由于其输出阻抗高，需要利用某些电容特定的ESR和电容值为LDO进行补偿，而钽电容数Ohm的ESR正好满足这样的需求，这就成为其是一个好电容的原因之一。

传统LDO的反馈回路的环路增益曲线由于输出电阻较大，与负载电容作用后会产生一个低频极点P1，这个低频极点带来的附加相移使得反馈回路不稳定。而用外部钽电容补偿后，由于钽电容拥有较高的ESR（如1ohm），使得环路曲线中出现一个零点，这个零点带来的反相相移的环路增益将为1，抵消掉之前低频极点带来的附加相移，使得反馈回路稳定。

典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容。选择对电容稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。利用较低ESR的大电容一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是短路，相比之下钽电容比较昂贵且其故障模式是短路。

输出电容的等效串联电阻(ESR)会影响其稳定性，陶瓷电容具有较低的ESR，大概为10mΩ量级，而钽电容ESR在100mΩ量级。另外，许多钽电容的ESR随温度变化很大，会对LDO性能产生不利影响。如果温度变化不大，而且电容和接地之间串联适当的电阻（一般100mΩ量级），可以用陶瓷电容取代钽电容。

同样的，由于MOS管的LDO具有非常好的稳定性，再辅以一些内部优化，在TI的一些LDO对输出电容不再有特定的ESR要求，我们称之为“Cap Free”技术，这意味着任何类型的电容都可以被利用，这大大降低了成本和设计难度。

3、输出电容的ESR对LDO稳定性的影响

输出电容的ESR必须处在制造商规定的最小/最大值范围之内以确保稳定性。

过高ESR对LDO稳定性的影响：

C 高ESR将零点移至一个较低的频率；

C 这增大了环路带宽，因而允许极点PPWR在0dB频率之前增加更多的相移；

C 由其他极点产生的相移(图中未示出)使得>10Ω的ESR值往往会造成环路的不稳定。

过低ESR对LDO稳定性的影响：

C 低ESR将零点移至一个较高的频率；

C 零点出现的频率比0dB频率高1个十倍频率以上；

C 由于零点在0dB下未添加任何正相移，因此两个低频极点将导致相移达到-180°(不稳定)。

ESR对LDO稳定性的影响

（PL为负载电阻和电容形成的极点，P1为比较放大器的内部极点，PPWR为内部调整管的极间电容形成的极点）

4、内部零点补偿 络

除了前馈电容补偿、输出电容的ESR补偿之外，有的线性稳压器通过增加内部的零点补偿来加强环路稳定性。

5、额外情况

LDO也有不能加前馈电容补偿的情况（FB引脚和SENSE引脚）。详细可参见TI的芯片TPS771xx/TPS772xx的datasheet。具体描述如下：

LDO也有加RC前馈 络的，R一般在K级。由R3和C1构成的 络可降低误差放大器的交流增益。为确保具有低相位裕量（或者非单位增益稳定）LDO的稳定性，选择R3将放大器的高频增益设为1.1左右。如需降低1/f区的噪声，则需选择C1将低频零点设为10Hz以下。