分析如何提高低靜態(tài)電流LDO的負載瞬變響應(yīng)性能

1、分析如何提高低靜態(tài)電流 LDO的負載瞬變響應(yīng)性能低壓差穩(wěn)壓器在便攜電子系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，比如手機、筆記本電腦和PDA等。而移動設(shè)備的低功耗和高可靠性要求使得LDO設(shè)計任務(wù)十分艱巨。當LDO輸出供電的數(shù)字電路從一種運行模式切換到另一種運行模式時，LDO的負載需求會快速變化。負載的這種快速變化將使LDO的輸出電壓產(chǎn)生短暫的尖峰脈沖。大部分的數(shù)字電路都會對很大的電壓變化產(chǎn)生不良反應(yīng)。因此，改善LDO的負載瞬變性能十分重要。傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)包括一個誤差放大器和一個傳遞器件，。從這種結(jié)構(gòu)可以很容易看出負載變化對LDO運行的影響。圖1傳統(tǒng)LDO的結(jié)構(gòu)簡圖。LDO的負載電流變化會改變 LDO的輸出電壓電平

2、，直到誤差放大器感知負載電流的變化 而驅(qū)動通路晶體管來補償這種變化。然而，在輸出電流變化與誤差放大器作出反應(yīng)之間往往 有一定的延遲，在這個延遲時間內(nèi)，LDO輸出會出現(xiàn)電壓尖峰。通過減少延遲時間可將輸出電壓的誤差減至最小。引起延遲的因素有許多，其中一個主要原因是需要對傳遞器件的寄生 電容進行充電。便攜式設(shè)備中常用LDO的最大輸出電流一般都不會超過幾百毫安。這樣就需要增加傳遞器件的面積， 從而導(dǎo)致傳遞器件的寄生電容Cp1和Cp2也增加，甚至超過100pF。因此，LDO的微小靜態(tài)電流就成為了關(guān)鍵參數(shù)之一，但它會明顯限制寄生電容的充電時 間?？s短寄生電容充電時間的最常用辦法是將AB類放大器用作誤差放大

3、器。 一般情況下，AB類放大器的電路都設(shè)有比較復(fù)雜的兩個增益級，而LDO穩(wěn)壓器的功率晶體管則成為了第三個增益級。為了提高這個三級放大器的穩(wěn)定性，通?？梢圆捎貌煌难a償方法，但這些方法都 會減少帶寬，并增加誤差放大器的響應(yīng)時間。負載瞬變響應(yīng)性能得到改善的LDO結(jié)構(gòu)LDO電路有許多不同的解決方案。本文所描述的電路基本想法是通過誤差放大器來改良 負載瞬變響應(yīng)性能和降低靜態(tài)電流。圖 2：帶有 AB 類誤差放大器的 LDO。如前文中所述，傳遞器件具有較大的寄生電容，它會使一個具有微小靜態(tài)電流的誤差放 大器在輸出級產(chǎn)生一個低頻極點。圖 2所示的結(jié)構(gòu)需要進行一個非常復(fù)雜的修正，目的是通 過減小誤差放大器的帶

4、寬來獲得更高的穩(wěn)定性。為了避免采用過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用緩沖 器將誤差放大器輸出級的高輸出阻抗與傳遞器件的高負載電容隔離開來，見圖3。圖 3：配有射極跟隨器 （用作緩沖器 ）的 LDO 結(jié)構(gòu)示意圖。但圖3所示的這種方法還是不能妥善解決穩(wěn)定性問題。對于具有微小靜態(tài)電流的LDC來說，其偏置電流lb也很小。而射極跟隨器的極點與誤差放大器A1的極點靠得很近。此外，這種方法將射極跟隨器用作了緩沖器，因此可以快速地關(guān)閉傳遞器件MP但另一方面，電路的導(dǎo)通時間也由于小電流 lb 而受到限制。這種結(jié)構(gòu)的另一個缺點是由于主放大器和緩沖器是串聯(lián)的，所以延遲時間將由電路中速 度較慢的部件來決定。在結(jié)構(gòu)3中，LDO采用

5、了兩個放大器， 分別是誤差放大器 A1和電流反饋放大器 A2,。電 流反饋放大器具有第二級反饋環(huán)路，可加速LDO的響應(yīng)。但是該放大器的輸入阻抗很小，會降低誤差放大器A1的增益下降，從而對 LDO的主要參數(shù)帶來負面影響。圖 4：帶復(fù)合反饋回路的 LDO。電流反饋放大器具有 AB類輸出級，但此類放大器的負載能力取決于輸入電流。然而，低靜態(tài)電流的LDO一般要求較大的 Rf1、Rf2和RC電阻值，這又限制了放大器 A2的輸入電流。 這意味著最大輸出電流不會超過幾微安，因此無法實現(xiàn)對功率晶體管的寄生電容進行快速充電。推薦的改進方法和電路結(jié)構(gòu)前文已經(jīng)對不同的 LDO負載瞬變性能改進方案進行了分析。盡管采用

6、兩個運算放大器驅(qū) 動傳遞器件似乎是最好的一個方法，但是通過上述分析仍可以發(fā)現(xiàn)若干缺點。本節(jié)將討論一 種可以消除或減弱這些缺點的結(jié)構(gòu)。在改進的結(jié)構(gòu)中，具有高增益和低帶寬的運算跨導(dǎo)放大器 （OTA）被用作主要的誤差放大器。 而這個放大器決定了 LDO的主要性能參數(shù)。第二個放大器也是基于 OTA但具有相對較小的 增益和較大的帶寬，主要用于監(jiān)測 LDO的輸出。兩個放大器的輸出并聯(lián)在一起，推薦結(jié)構(gòu)。圖5:兩個誤差放大器并聯(lián)在一起的 LDO結(jié)構(gòu)。主誤差放大器 A1為一款標準的兩級放大器，用于確保LDO的良好性能。由于 A1并不是用來快速驅(qū)動功率晶體管 MP的，因此可以采用 A類輸出級。反饋電阻Rf1和Rf

7、2決定了 LDO 輸出電壓的大小。第二個放大器具有高帶寬和 AB類輸出級，可對功率晶體管的寄生電容快速充電。放大器A2的輸出連接到放大器 A1的輸出和功率晶體管 MP的柵極。LDO輸出連接到A2的同相輸入端和低通濾波器 RC而低通濾波器的輸出則連接到放大器 A2的輸入。這種連接方式在穩(wěn)態(tài)情況下將在A2的輸入間產(chǎn)生零電壓，從而使 LDO的參數(shù)不受放大器A2的影響。在LDO的輸出負載快速變化時，如果低通濾波器的時間常數(shù)大于負載瞬 變變化的時間，那么 A2的反相輸入端將不會發(fā)生電壓變化。A2的同相輸入跟隨LDO的輸出電壓，并開始對變化作出補償。由于放大器A1的帶寬很窄，因此它會明顯滯后一段時間才作

8、出反應(yīng)。經(jīng)過稍長于低通濾波器時間常數(shù)的一段時間后，A2再次進入穩(wěn)態(tài)，且不會對 LDO的參數(shù)造成影響。圖6所示為運算跨導(dǎo)放大器 A2的結(jié)構(gòu)。圖中只有一個增益級和 AB類輸出級。 帶寬由偏置電流 Ib 確定。圖6:具有一個增益級的 AB類放大器。圖7低壓差穩(wěn)壓器在便攜電子系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，比如手機、筆記本電腦和PDA等。而移動設(shè)備的低功耗和高可靠性要求使得 LDO設(shè)計任務(wù)十分艱巨。當LDO輸出供電的數(shù)字電路從一種運行模式切換到另一種運行模式時，LDO的負載需求會快速變化。負載的這種快速變化將使LDO的輸出電壓產(chǎn)生短暫的尖峰脈沖。大部分的數(shù)字電路都會對很大的電壓變化產(chǎn)生不良反應(yīng)。因此，改善LDO的

9、負載瞬變性能十分重要。傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)包括一個誤差放大器和一個傳遞器件，。從這種結(jié)構(gòu)可以很容易看出負載變化對LDO運行的影響。圖1:傳統(tǒng)LDO的結(jié)構(gòu)簡圖。LDO的負載電流變化會改變 LDO的輸出電壓電平，直到誤差放大器感知負載電流的變化 而驅(qū)動通路晶體管來補償這種變化。然而，在輸出電流變化與誤差放大器作出反應(yīng)之間往往 有一定的延遲，在這個延遲時間內(nèi)，LDO輸出會出現(xiàn)電壓尖峰。通過減少延遲時間可將輸出電壓的誤差減至最小。引起延遲的因素有許多，其中一個主要原因是需要對傳遞器件的寄生 電容進行充電。便攜式設(shè)備中常用LDO的最大輸出電流一般都不會超過幾百毫安。這樣就需要增加傳遞器件的面積， 從而導(dǎo)致傳

10、遞器件的寄生電容 Cp1和Cp2也增加，甚至超過100pF。因此，LDO的微小靜態(tài)電流就成為了關(guān)鍵參數(shù)之一，但它會明顯限制寄生電容的充電時 間?？s短寄生電容充電時間的最常用辦法是將AB類放大器用作誤差放大器。 一般情況下，AB類放大器的電路都設(shè)有比較復(fù)雜的兩個增益級，而LDO穩(wěn)壓器的功率晶體管則成為了第三個增益級。為了提高這個三級放大器的穩(wěn)定性，通?？梢圆捎貌煌难a償方法，但這些方法都 會減少帶寬，并增加誤差放大器的響應(yīng)時間。負載瞬變響應(yīng)性能得到改善的LDO結(jié)構(gòu)LDO電路有許多不同的解決方案。本文所描述的電路基本想法是通過誤差放大器來改良 負載瞬變響應(yīng)性能和降低靜態(tài)電流。圖 2：帶有 AB 類

11、誤差放大器的 LDO。如前文中所述，傳遞器件具有較大的寄生電容，它會使一個具有微小靜態(tài)電流的誤差放 大器在輸出級產(chǎn)生一個低頻極點。圖 2 所示的結(jié)構(gòu)需要進行一個非常復(fù)雜的修正，目的是通 過減小誤差放大器的帶寬來獲得更高的穩(wěn)定性。為了避免采用過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用緩沖 器將誤差放大器輸出級的高輸出阻抗與傳遞器件的高負載電容隔離開來，見圖3。圖 3：配有射極跟隨器 （用作緩沖器 ）的 LDO 結(jié)構(gòu)示意圖。但圖3所示的這種方法還是不能妥善解決穩(wěn)定性問題。對于具有微小靜態(tài)電流的LDC來說，其偏置電流lb也很小。而射極跟隨器的極點與誤差放大器A1的極點靠得很近。此外，這種方法將射極跟隨器用作了緩沖器，因

12、此可以快速地關(guān)閉傳遞器件MP但另一方面，電路的導(dǎo)通時間也由于小電流 lb 而受到限制。這種結(jié)構(gòu)的另一個缺點是由于主放大器和緩沖器是串聯(lián)的，所以延遲時間將由電路中速 度較慢的部件來決定。在結(jié)構(gòu)3中，LDO采用了兩個放大器， 分別是誤差放大器 A1和電流反饋放大器 A2,。電 流反饋放大器具有第二級反饋環(huán)路，可加速LDO的響應(yīng)。但是該放大器的輸入阻抗很小，會降低誤差放大器A1的增益下降，從而對 LDO的主要參數(shù)帶來負面影響。圖 4：帶復(fù)合反饋回路的 LDO。電流反饋放大器具有 AB類輸出級，但此類放大器的負載能力取決于輸入電流。然而，低靜態(tài)電流的LDO一般要求較大的 Rf1、Rf2和RC電阻值，這

13、又限制了放大器A2的輸入電流。這意味著最大輸出電流不會超過幾微安，因此無法實現(xiàn)對功率晶體管的寄生電容進行快速充 電。推薦的改進方法和電路結(jié)構(gòu)前文已經(jīng)對不同的 LDO負載瞬變性能改進方案進行了分析。盡管采用兩個運算放大器驅(qū) 動傳遞器件似乎是最好的一個方法，但是通過上述分析仍可以發(fā)現(xiàn)若干缺點。本節(jié)將討論一 種可以消除或減弱這些缺點的結(jié)構(gòu)。在改進的結(jié)構(gòu)中，具有高增益和低帶寬的運算跨導(dǎo)放大器 （OTA）被用作主要的誤差放大器。 而這個放大器決定了 LDO的主要性能參數(shù)。第二個放大器也是基于 OTA但具有相對較小的 增益和較大的帶寬，主要用于監(jiān)測 LDO的輸出。兩個放大器的輸出并聯(lián)在一起，推薦結(jié)構(gòu)。圖5

14、:兩個誤差放大器并聯(lián)在一起的LDO結(jié)構(gòu)。主誤差放大器 A1為一款標準的兩級放大器，用于確保LDO的良好性能。由于 A1并不是用來快速驅(qū)動功率晶體管MP的，因此可以采用 A類輸出級。反饋電阻Rf1和Rf2決定了 LDO輸出電壓的大小。第二個放大器具有高帶寬和 AB類輸出級，可對功率晶體管的寄生電容快速充電。放大器A2的輸出連接到放大器 A1的輸出和功率晶體管 MP的柵極。LDO輸出連接到A2的同相輸入端和低通濾波器 RC而低通濾波器的輸出則連接到放大器 A2的輸入。這種連接方式在穩(wěn)態(tài)情況下將在A2的輸入間產(chǎn)生零電壓，從而使LDO的參數(shù)不受放大器A2的影響。在LDO的輸出負載快速變化時，如果低通濾

15、波器的時間常數(shù)大于負載瞬 變變化的時間，那么 A2的反相輸入端將不會發(fā)生電壓變化。A2的同相輸入跟隨LDO的輸出電壓，并開始對變化作出補償。由于放大器A1的帶寬很窄，因此它會明顯滯后一段時間才作 出反應(yīng)。經(jīng)過稍長于低通濾波器時間常數(shù)的一段時間后，A2再次進入穩(wěn)態(tài)，且不會對 LDO的參數(shù)造成影響。圖6所示為運算跨導(dǎo)放大器 A2的結(jié)構(gòu)。圖中只有一個增益級和 AB類輸出級。 帶寬由偏置電流 lb 確定。圖 6：具有一個增益級的 AB 類放大器。圖7所示為推薦LDO結(jié)構(gòu)的AC分析。圖7(a)為推薦LDO結(jié)構(gòu)的簡化原理圖，圖 7(b)是 從圖7(a)轉(zhuǎn)化而來的簡化傳遞函數(shù)的等效框圖。這樣就可以建立推薦

16、LDO運行的幅度響應(yīng)，。在低頻情況下，LDO的運行主要由主放大器 A1決定。但在較高的頻率下，由于出現(xiàn)了負載瞬 變，因此LDO的運行便改由快速放大器A2來決定。由于 RC濾波器能夠隔離并聯(lián)放大器A1和 A2 的運行，因此他們不會在同一時間工作。圖7：推薦LDO穩(wěn)壓器的AC分析(a)簡化原理圖(b)等效框圖(c)幅度響應(yīng)圖8所示為推薦LDO結(jié)構(gòu)的負載瞬變仿真結(jié)果。左圖為放大器并聯(lián)時LDO的輸出電壓，而右圖為單一放大器運行時的 LDO輸出電壓。從圖中可以看出，放大器并聯(lián)運行時的輸出電壓變 化幅度比用單一放大器小兩倍。圖 8：并聯(lián)放大器運行 (左側(cè))和單放大器運行 (右側(cè))時的仿真負載瞬變曲線。試驗

17、結(jié)果推薦的LDO穩(wěn)壓器電路采用 0.5微米的CMOSC藝制造，占用面積為 0.28mm2表1列出了測量結(jié)果，其中最大電流消耗為20A經(jīng)過進一步優(yōu)化能使電流消耗更低，但是芯片的面積會增大，從而對負載變化的反應(yīng)變慢，并對LDO穩(wěn)壓器的其他主要參數(shù)帶來不利影響。表1:推薦LDO穩(wěn)壓器的主要參數(shù)。圖9為測量所得的負載瞬變響應(yīng)曲線。其中負載在1s內(nèi)從最大值變化到 1mA或從1mA變化到最大值時，LDO穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的輸出電壓尖峰等于60mV。假如負載變化的速率較慢(10s)，那么LDO穩(wěn)壓器輸出的電壓變化可明顯減少至18mV圖 9：測得的負載瞬變響應(yīng)曲線。在10kHz頻率和LDO輸出負載為 20mA時測得的電源抑制比(PSRR)為-75dB，而在10Hz 到 100kHz 頻率范圍內(nèi)所測得的等