一種快速響應ＬＤＯ環(huán)路設計

摘 要：設計一種帶快速響環(huán)路的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。該系統(tǒng)通過電容對高頻或快速變化的輸出電壓反饋回路進行短路，提供一條對輸出電壓變化的快速響應通路。輸出緩沖級為后極調整管提供大的電流輸出并提高系統(tǒng)柵極節(jié)點的極點頻率。該系統(tǒng)具有響應速度快、穩(wěn)定性高的特點，可廣泛應用于不同的低壓差線性穩(wěn)定器。

關鍵詞：LDO；誤差放大器；CMRR；快速響應

中圖分類號：TN710文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2002903

Design of a Fast Responsibility LDO Loop Circuit

YANG Xiaofeng1，WANG Weiyong2

(1.Xi′an Microelectronics Technology Institute，Xi′an 710054，China;2.Department of Basic Courses，Jiaozuo University，Jiaozuo，454000，China)

Abstract： A LDO with fast speed of responsibility is presented.The system supplies a fast speed of responsibility to output voltage from capacitor short circuit to the high frequency or fast output voltage.The buffer stage serve as a larger current to the regulator and increase the frequency of gate node.The system presents much more faster responsibility and more stability.It can be widely applied in different LDO.

Keywords：LDO;error amplifier;CMRR;fast speed of responsibility

1 引 言

低壓差線性穩(wěn)壓器LDO(Low Drop-Out regulator)在便攜式電子設備供電系統(tǒng)中有著越來越

廣泛的應用。本文根據LDO 穩(wěn)壓器的結構特點，設計一種快速響應通路，通過對高頻或快速變化的輸出電壓反饋，使誤差放大器輸出一個大的電壓響應。該電路具有響應速度快、穩(wěn)定性好的特點，可廣泛應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。

圖1 LDO工作原理示意圖

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

3 誤差放大器和緩沖級設計

3.1 簡介

圖2為電路原理圖。

圖2 誤差放大器的電路圖

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

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

對于直流或低頻Vout信號，M83~M86不會引起壓差放大器輸出信號的變化。但由于旁路電容C1使M83的源極高頻短路，對于Vout信號的快速變化，M83~M86將在壓差放大器的輸出端產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高頻或快速變化的Vout信號的響應速度。

C3與M81的源極和緩沖級中的Q98的基極相連。對于大信號，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（Q98基極）電壓，也將隨Vfb信號變化。對于快速變化的Vfb信號，C3提供了一條由反饋信號到調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，該路徑對反饋信號無增益，避免了由于對調整管的過分的開關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）

在共模信號下，假設M81有動態(tài)電流i1，則i1經電流鏡映射到Y節(jié)點的電流為i2；而M82在共模信號下，有動態(tài)電流i3到Y節(jié)點，在忽略背柵效應、溝道調制效應等二級效應和電路失配的情況下，i2與i3相等，即Y節(jié)點無凈動態(tài)電流，故共模信號不引起輸出電壓的變化。

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

i1= Vcm［g1/(1+g1×r1)］

i2=i1 ×(1/g)(g+Δg)=i1×［1+(Δg/g)］

i3=i1，i2-i3=i1×(Δg/g)

roro106

ΔVo=(i2-i3) ×ro

=Vcm×［g1/(1+g1×r1)］×(Δg/g) ×ro106

Acm=ΔVo/Vcm

= ［g1/(1+g1×r1)］×(Δg/g) ×ro106

(r0106/r1) ×(Δg/g)

圖3 誤差放大器共模、差模信號放大等效電路

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

G =g1/(1+0.5R20×g1)

若0.5R20×g1>>1，則G = 2/R20，輸出交流小信號電阻為：

ro = ro106‖(g1×ro82×0.5×R20)

若：

g1×ro82×0.5×R20>>ro106 ，則ro = ro106

小信號增益為：

Adm=G×ro=g1×ro106/(1+0.5R20×g1)

2ro106/R20

故：

CMRR|Adm/Acm| = (2r1×g)/(R20×Δg)

4 仿真及分析

圖4為快速響應仿真，可以發(fā)現對于Vout信號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。因此對于輸出電路較小的變化，可以很快地傳輸到誤差放大器的輸出，從而調節(jié)傳輸管。

圖5為加電容C3前后（左圖為無C3，右圖為有C3），負載電流發(fā)生50 mA跳變時，系統(tǒng)輸出電壓的變化。對照兩圖，可以看到，當無C3時，輸出電壓發(fā)生了振蕩，而加入C3后，輸出電壓單調變化。圖6為誤差放大器的幅頻和相頻響應曲線。

5 結 語

本文根據LDO穩(wěn)壓器的結構特點，設計了一種快速響應通路，通過對高頻或快速變化的輸出電壓反饋，使誤差放大器輸出一個大的電壓響應。該電路具有響應速度快、穩(wěn)定性好的特點，可廣泛應用于不同的低壓差線性穩(wěn)壓器。

圖4 誤差放大器快速響應曲線

圖5 加電容前后穩(wěn)定性曲線比較

圖6 誤差放大器的幅頻和相頻響應曲線

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作者簡介 楊小峰 碩士研究生。主要從事模擬CMOS電路設計。

王衛(wèi)永 焦作大學基礎部，助教。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文