一種快速響應(yīng)LDO環(huán)路設(shè)計(jì)

1 引 言

低壓差線性穩(wěn)壓器LDO(Low Drop-Out regulator)在便攜式電子設(shè)備供電系統(tǒng)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)LDO穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種快速響應(yīng)通路，通過(guò)對(duì)高頻或快速變化的輸出電壓反饋，使誤差放大器輸出一個(gè)大的電壓響應(yīng)。該電路具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于不同的低壓差線性穩(wěn)壓器。

2 LDO工作原理

圖1是低壓差線性穩(wěn)壓器的工作原理示意圖。

誤差放大器一端接基準(zhǔn)電壓Vref，另一端聯(lián)接反饋回路，輸出端連接調(diào)整輸出管Mp。通過(guò)比較和放大基準(zhǔn)電壓與反饋電壓的差值來(lái)控制調(diào)整管的柵極電壓，以此控制通過(guò)晶體管的電流，使電路達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定地輸出電壓。

3 誤差放大器和緩沖級(jí)設(shè)計(jì)

3.1 簡(jiǎn)介

圖2為電路原理圖。

圖2中Vref為基準(zhǔn)電壓輸入；Vfb為采樣電壓反饋接人端；Vbh，Vbl分別為高低電平偏置；Vout為輸出電壓反饋。Vo接PMOS調(diào)整管柵極。誤差放大器比較采樣電壓Vfb和基準(zhǔn)電壓Vref，從而改變輸出電壓Vo，控制調(diào)整管的輸出電流，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。

M81，M82為差分對(duì)輸入管。M105，M106為電流鏡，作差分對(duì)管的負(fù)載。M88，M89為尾電流源，分別為差分對(duì)管提供偏置電流。R20為差分對(duì)管的差分交流電流提供流向地的途徑，即R20無(wú)共模電流流過(guò)，其中點(diǎn)為交流地。Q1，Q98，Q93，Q95，Q9構(gòu)成電流緩沖器，為調(diào)整管柵電容提供大的充放電電流。同時(shí)也提高調(diào)整管柵極節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)頻率，即由1／(Roa×Cgs)提高到1／[(2／g)×Cgs]，Roa為誤差放大器輸出電阻，Cgs為調(diào)整管的柵極電容，g為Q98，Q9跨導(dǎo)。利用C4，C5兩個(gè)電容兩端電壓不能突變的性質(zhì)，使Q98，Q9的基極電壓的變化保持一致，使電路更加穩(wěn)定。

對(duì)于直流或低頻Vout信號(hào)，M83～M86不會(huì)引起壓差放大器輸出信號(hào)的變化。但由于旁路電容C1使M83的源極高頻短路，對(duì)于Vout信號(hào)的快速變化，M83～M86將在壓差放大器的輸出端產(chǎn)生很大的非平衡交流電流，從而造成較大擺幅的輸出電壓變化。這大大提高了壓差放大器對(duì)高頻或快速變化的Vout信號(hào)的響應(yīng)速度。[!--empirenews.page--]

C3與M81的源極和緩沖級(jí)中的Q98的基極相連。對(duì)于大信號(hào)，如果將共源連接的M81管看作是共漏連接(電壓緩沖)，則M81的源極電壓隨Vfb信號(hào)變化；如果忽略Q1，Q95的射極電阻的影響，則C3與C4，C5可看作是電容分壓連接，故其中點(diǎn)(Q98基極)電壓，也將隨Vfb信號(hào)變化。對(duì)于快速變化的Vfb信號(hào)，C3提供了一條由反饋信號(hào)到調(diào)整管柵極的快速傳播路徑，而且由于該路徑將壓差放大器旁路，該路徑對(duì)反饋信號(hào)無(wú)增益，避免了由于對(duì)調(diào)整管的過(guò)分的開(kāi)關(guān)控制造成的輸出電壓在瞬態(tài)的上沖和下沖。

3.2 共模抑制比(CMRR)

在共模信號(hào)下，假設(shè)M81有動(dòng)態(tài)電流i1，則i1經(jīng)電流鏡映射到Y(jié)節(jié)點(diǎn)的電流為i2；而M82在共模信號(hào)下，有動(dòng)態(tài)電流i3到Y(jié)節(jié)點(diǎn)，在忽略背柵效應(yīng)、溝道調(diào)制效應(yīng)等二級(jí)效應(yīng)和電路失配的情況下，i2與i3相等，即Y節(jié)點(diǎn)無(wú)凈動(dòng)態(tài)電流，故共模信號(hào)不引起輸出電壓的變化。

在實(shí)際電路中，由于各種非理想情況，如電流鏡的失配，差分管跨導(dǎo)的失配等，共模信號(hào)會(huì)引起輸出電壓的變化。為簡(jiǎn)化分析，這里將各種失配集總為電流鏡M105，M106跨導(dǎo)的失配△g，若M105的跨導(dǎo)為g，則M106的跨導(dǎo)為g+△g，并令輸出節(jié)點(diǎn)Y的阻抗為ro，M88，M89的輸出阻抗為r1，差分管跨導(dǎo)為g1，有：

在差模信號(hào)狀態(tài)下，令M81，M82的跨導(dǎo)g1，M106，M82的輸出電阻為ro106，ro82，則差分對(duì)的跨導(dǎo)為：

4 仿真及分析

圖4為快速響應(yīng)仿真，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于Vout信號(hào)10 mV的上跳和20 mV的下跳，誤差放大器的輸出電壓有上百毫伏的跳變。因此對(duì)于輸出電路較小的變化，可以很快地傳輸?shù)秸`差放大器的輸出，從而調(diào)節(jié)傳輸管。

圖5為加電容C3前后(左圖為無(wú)C3，右圖為有C3)，負(fù)載電流發(fā)生50 mA跳變時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓的變化。對(duì)照兩圖，可以看到，當(dāng)無(wú)C3時(shí)，輸出電壓發(fā)生了振蕩，而加入C3后，輸出電壓?jiǎn)握{(diào)變化。圖6為誤差放大器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)LDO穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種快速響應(yīng)通路，通過(guò)對(duì)高頻或快速變化的輸出電壓反饋，使誤差放大器輸出一個(gè)大的電壓響應(yīng)。該電路具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于不同的低壓差線性穩(wěn)壓器。