▍雖然很多工程師們?cè)诮鉀Q噪聲問(wèn)題上往往認(rèn)為電容是一種有效的途徑，但是電容本身的作用可不僅于此。絕大多數(shù)噪聲問(wèn)題，工程師們通過(guò)添加幾個(gè)電容得到很好的解決，但很少有去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù)。然而，與所有電子器件一樣，電容并不完美的，反之，電容會(huì)帶來(lái)寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)的問(wèn)題，并且電容值會(huì)隨溫度和電壓而變化，而且電容對(duì)機(jī)械效應(yīng)也非常敏感。

▍設(shè)計(jì)人員在選擇旁路電容時(shí)，以及電容用于濾波器、積分器、時(shí)序電路和實(shí)際電容值非常重要的其它應(yīng)用時(shí)，都必須考慮這些因素。若選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定、噪聲和功耗過(guò)大、產(chǎn)品生命周期縮短，以及產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的電路行為。

▍那么為了保證LDO的性能,必須了解并評(píng)估旁通電容的直流偏置、溫度變化和容差對(duì)所選電容的影響。此外,在要求低噪聲、低漂移或高信號(hào)完整性的應(yīng)用中,也必須認(rèn)真考慮電容技術(shù)。所有電容都會(huì)受到非理想行為的影響,但一些電容技術(shù)比其他技術(shù)更適合于某些特定應(yīng)用。

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不同電容技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

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輸出輸入電容選型

輸出電容

▍ADI公司LDO設(shè)計(jì)采用節(jié)省空間的小型陶瓷電容工作,但只要考慮ESR值,便可以采用大多數(shù)常用電容。輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制回路的穩(wěn)定性。為了確保LDO穩(wěn)定工作,推薦使用至少1μF、ESR為1Ω或更小的電容。

▍輸出電容還會(huì)影響負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。采用較大的輸出電容值可以改善LDO對(duì)大負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。圖1至3所示為輸出電容值分別為1μF、10μF和20μF的ADP151的瞬態(tài)響應(yīng)。

▍因?yàn)長(zhǎng)DO控制環(huán)路的帶寬有限,因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。1μF電容無(wú)法持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)電流并產(chǎn)生約80mV的負(fù)載瞬變。10μF電容將負(fù)載瞬變降低至約70mV。將輸出電容提高至20μF,LDO控制回路就可捕捉并主動(dòng)降低負(fù)載瞬變。測(cè)試條件如表1所示。

測(cè) 試 條 件

輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),COUT = 1 μF

輸出瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng),COUT = 10 μF

輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),COUT = 20 μF

輸入旁路電容

▍在VIN和GND之間連接一個(gè)1μF電容可以降低電路對(duì)PCB布局的敏感性,特別是在長(zhǎng)輸入走線或高源阻抗的情況下。如果要求輸出電容大于1μF,應(yīng)選用更高的輸入電容。

輸入和輸出電容特性

▍只要符合最小電容和最大ESR要求,LDO可以采用任何質(zhì)量良好的電容。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造,溫度和所施加的電壓不同,其特性也不相同。電容必須具有足以在工作溫度范圍和直流偏置條件下確保最小電容的電介質(zhì)。建議在5V應(yīng)用中使用電壓額定值為6.3V或10V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳,建議不要使用。

▍電容的電壓穩(wěn)定性受電容封裝尺寸和電壓額定值影響極大。一般來(lái)說(shuō),封裝較大或電壓額定值較高的電容具有更好的電壓穩(wěn)定性。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)為±15%,與封裝或電壓額定值沒(méi)有函數(shù)關(guān)系。

0402、1μF、10V、X5R電容的電容與電壓偏置關(guān)系特性

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關(guān)注電容的ESR

▍在基于 PMOS 或 PNP 調(diào)整元件的 LDO 調(diào)節(jié)器中有三個(gè)重要的極點(diǎn)。主要極點(diǎn) P（DOM）在調(diào)節(jié)器的誤差放大器中設(shè)置。負(fù)載極點(diǎn) P（LOAD） 由輸出電容器和負(fù)載形成， 因此隨負(fù)載電流的不同而有所差異。通路設(shè)備極點(diǎn) P（PASS）由通路元件的寄生電容形成。為了保證任何負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定， 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益在相位為 360° 時(shí)應(yīng)在 0dB 之下（180° 的反饋信號(hào)加 180° 誤差放大器的反相輸入）。換言之，系統(tǒng)必須具備充分的相位邊限， 這就是說(shuō)， 相移量在增益為0dB 時(shí)保持為 360° 。

由于每個(gè)極點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生 90° 的相移和 20dB/10 倍頻（或 -1） 的增益滾降， 因此為了保證三極點(diǎn)高增益系統(tǒng)的穩(wěn)定， 就需要進(jìn)行補(bǔ)償。如果開(kāi)環(huán)增益曲線在達(dá)到 0dB 之前以 20dB/10 倍頻的速度滾降（也就是說(shuō)，像單極點(diǎn)系統(tǒng)一樣），那么我們就說(shuō)調(diào)節(jié)器無(wú)論在何種條件下都是穩(wěn)定的（也就是說(shuō)，有足夠的相位邊限）。最常見(jiàn)的補(bǔ)償方法是在系統(tǒng)中插入零來(lái)取消相移和一個(gè)極點(diǎn)的滾降。由于 LDO 已經(jīng)就正常運(yùn)行要求了一個(gè)輸出電容器，因此使用輸出電容器的ESR 通常就是最簡(jiǎn)單也最廉價(jià)的生成零的方法。

典型 PMOS 或 PNP 開(kāi)環(huán)增益曲線

▍挑戰(zhàn)在于如何選擇一個(gè)具有正確 ESR 量的電容器。ESR 必須足夠高， 以降低 Z（ESR） 頻率， 從而保證增益變化斜線在達(dá)到 0dB 時(shí)為 －20dB/10 倍頻， 而不是 40dB/10 倍頻（－2），但它也要足夠低，從而保證 Z（ESR） 頻率足夠高，這樣增益才能在 P（PASS） 之前達(dá)到0dB以下。

▍在 TI 的大多數(shù)調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)表單中， 都會(huì)指定最低電容器值， 并給出輸出電容器（通常還有另一個(gè)電容器）的 ESR 和輸出電流。

TPS76050典型的 ESR－輸出電流

▍該設(shè)備的曲線就最低的 2.2-μF 輸出電容器要求 ESR 必須在 0.1Ω 和 20Ω 之間。電容器的 ESR 一般不超過(guò) 2Ω， 因此這里 ESR 的上限通常可忽略。下限實(shí)際上設(shè)置了 Z（ESR）的最大值。上圖給出的 2.2-μF 電容器而言， Z（ESR） 的最大值如下：

輸出電容－ESR 示例

▍因此，任何大于 0.1 × 2.2 x 10-6 = 2.2 x 10-7（但小于 20 × 2.2 x 10-6= 4.4 x 10-5）的電容和 ESR 產(chǎn)品， 只要其電容大于所要求最小值， 就都是穩(wěn)定的。上圖給出的曲線反映了這一點(diǎn)。使用更大電容器的 LDO 調(diào)節(jié)器與較小的 ESR 在一起就是穩(wěn)定的。事實(shí)上， 更大的電容和/或較小的 ESR 值能夠改善輸出瞬時(shí)反應(yīng)。

電容器阻抗曲線的

▍上圖顯示了電容器阻抗曲線的一般形狀。電容器開(kāi)始具有電容性（XC），隨后在其諧振點(diǎn)附近帶有電阻性（ESR）， 最后在高頻率時(shí)帶有電感應(yīng)性（XL）。曲線（Z） 的阻抗是上述每個(gè)成分的結(jié)合。

▍電容器通常都以特定頻率上的最大 ESR 確定。該頻率通常在 10 kHz 和 100 kHz 之間，且位于諧振點(diǎn)附近。為了保證電容器的最小 ESR 不低于最低 ESR 要求， 設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)向制造商處請(qǐng)求獲得整個(gè)有關(guān)溫度范圍內(nèi)的 ESR－頻率曲線。某些制造商可能提供此信息。如果阻抗曲線可用的話，那么曲線停止下降而保持水平的區(qū)域就是電容器的 ESR 決定電容的地方。

▍我們也可以將小型的低 ESR 的電阻器與陶瓷電容器串聯(lián)在一起。該電阻器必須能夠適應(yīng)溫度要求，能在穩(wěn)定曲線許可范圍內(nèi)保持其值。

負(fù)載瞬變測(cè)試

▍進(jìn)行負(fù)載瞬變測(cè)試并觀察輸出的振蕩量是確定所選電容是否穩(wěn)定的最佳途徑。上圖顯示了以 MOSFET 開(kāi)關(guān)和函數(shù)生成器進(jìn)行負(fù)載瞬變測(cè)試的測(cè)試設(shè)置。該設(shè)置適用于大多數(shù)電子負(fù)載，因?yàn)?a href="http://hljzzgx.com/analog/" target="_blank">模擬的瞬變要快得多。

左圖：帶有2.2-μF陶瓷電容器

右圖：帶有2.2-μF陶瓷電容器和1ΩESR

▍上左圖顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷（低 ESR）電容器的 TPS76050 設(shè)備所得出的測(cè)量結(jié)果。上右圖則顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷電容器和 1Ω 串聯(lián)電阻器的 TPS76050 設(shè)備所得出的測(cè)量結(jié)果。上左圖中的結(jié)果顯示了初始尖峰脈沖后的多次擺動(dòng)和振蕩，而上右圖中的結(jié)果則顯示了穩(wěn)定的負(fù)載瞬變。通常說(shuō)來(lái)，四次或更少的振蕩則反映出已具備足夠的相位容限，設(shè)備能夠保持穩(wěn)定。

審核編輯：劉清