在模拟与电源系统设计中，电压基准（Voltage Reference）与稳压器（Regulator）是保证电路稳定性、精度与可靠性的核心器件。无论是 ADC、DAC、放大器、传感器链路，还是 FPGA/MCU 的系统电源，都依赖一个稳定、低噪声、温漂小的参考电压与稳压输出。

高性能系统往往遇到三类核心挑战：

• 温漂（Temperature Drift）

• 负载调整率（Load Regulation）

• 噪声（Noise）

本文将从工程角度系统分析如何设计高精度基准与稳压器，以及如何应对上述关键问题。

二、电压基准的基本原理与性能指标

电压基准的核心目标是提供一个随温度、电源、电流变化最小的恒定电压。常见基准源包括：

• 带隙基准（Bandgap Reference）

• 齐纳参考（Zener Reference）

• 低温漂曲线修正基准

• 激光修调高精度基准

关键性能指标

1. 温漂（Temperature Coefficient, TC）

温漂是基准电压随温度变化的偏移，单位常为：

ppm/°C（百万分之一每摄氏度）

高精度系统通常要求：

• < 10 ppm/°C（高端 ADC、传感器）

• 10–50 ppm/°C（一般精密模拟系统）

降低温漂的工程策略

1. 选择高质量带隙基准

2. 使用激光修调匹配电阻

3. 采用曲线补偿（Curvature Correction）

4. 封装隔热、避免热源靠近基准 IC

5. PCB 区域保持恒温（隔离铜皮、电源热源不靠近）

2. 线性调整率（Line Regulation）

反映基准电压随输入电压变化的程度，一般要求：

< 10 mV/V 或更优

提升方法

• 使用 LDO 或前级稳压隔离输入波动

• 增强 PSRR（Power Supply Rejection Ratio）

3. 噪声（Noise）

基准噪声往往会直接传递给 ADC/DAC，影响分辨率。

典型指标：

• 0.1–10 Hz 噪声（低频）

• 宽带噪声（10 Hz–100 kHz）

降低噪声方法

1. 使用 低噪声带隙基准

2. 在带隙输出端添加 RC 滤波网络

3. 使用 低噪声 LDO 前端

4. PCB 做 模拟独立地，减少数字噪声耦合

三、稳压器（LDO / DC-DC）设计要点

稳压器的职责是提供稳定电源并驱动负载。常见稳压方案：

• LDO（低压差线性稳压器）

• Buck 降压 DC-DC

• Boost 升压 DC-DC

• Buck-Boost 稳压器

其中 LDO 和 DC-DC 配合使用 是现代电子系统最常见的方案。

四、稳压器设计的关键性能指标

1. 负载调整率（Load Regulation）

描述输出电压随负载电流变化的稳定性，通常要求：

< 10 mV 或 < 0.1%

改进方法

• 使用大环路增益的误差放大器（Error Amplifier）

• LDO 输出端靠近负载

• 布线粗短，减少压降

• 输出电容 足量且 ESR 小

2. 线性调整率（Line Regulation）

描述输出电压随输入变化的稳定性，可通过：

• 前级 DC-DC + 后级 LDO

• 优化 PSRR

• 减少输入电源噪声

来改善。

3. 输出噪声（Output Noise）

高精度系统（如 ADC clock power）要求极低输出纹波：

• 用 LDO 滤波 DC-DC 噪声

• 增加输出陶瓷电容

• 优化补偿网络

4. 瞬态响应（Transient Response）

当负载突然变化时（例如 FPGA 数字逻辑瞬时翻转），输出不能出现明显过冲或下跌。

改善方法：

• 增加输出电容（但注意稳定性）

• 提升环路带宽

• 使用良好的补偿网络

五、低噪声设计策略（工程重点）

要得到一个 低噪声、超稳定的电源与基准系统，要从以下几个方面下手：

1. 前级 DC-DC + 后级 LDO 滤波架构

这是工业常用的低噪声架构：

输入电源 → DC-DC → 低噪声 LDO → 精密模拟器件

LDO 可有效衰减 DC-DC 开关噪声（数百 kHz–几 MHz）。

2. PCB 布局：模拟与数字严格隔离

布线原则：

• 模拟电源与数字电源分区

• 时钟、电感、PWM 噪声区远离基准与 LDO

• 单点接地（Star Ground）

• 短粗电源线

尤其要避免 跨分割走线，否则噪声飘忽不定。

3. 输出电容/ESR 优化

• 对 LDO：ESR 不宜过高或过低，否则环路不稳定

• 对 DC-DC：选低 ESR MLCC，能快速响应电流变化

4. EMI / 开关噪声抑制

• DC-DC 电感布局远离基准源

• 使用磁屏蔽电感

• VIN 引入 π 型滤波（C-L-C）

5. 使用外部滤波基准（Ref Buffer + RC 滤波）

对 ADC/DAC 基准输入可用：

R（10~100 Ω） + C（1–10 µF） + Buffer

实现抗噪声隔离。

六、整体架构设计示例（工程实用）

一个典型的高精度模拟系统的电源架构：

12V 输入   ↓开关电源 Buck（60–90% 效率）   ↓低噪声 LDO（PSRR 高）   ↓精密带隙基准（低温漂 <10 ppm）   ↓ADC/DAC/传感器

特点：

• DC-DC 提供效率

• LDO 清除开关纹波

• 基准保证高精度

• PCB 上严格隔离噪声源

七、结语：打造高精度电源与基准系统的核心原则

1. 温漂必须控制在设计等级以内（10–50 ppm）

2. 使用低噪声 LDO 滤波 DC-DC 输出

3. 提升负载调整率：短路径、大带宽、大环路增益

4. 隔离模拟/数字区域，避免噪声耦合

5. 优化环路补偿与输出电容 ESR

6. 使用 RC 滤波和基准 Buffer 提升稳定性

一个优秀的电压基准与稳压设计，会显著提升系统精度、降低 ADC/DAC 噪声、增加系统可靠性与寿命。