如何提高低靜態(tài)電流LDO負(fù)載瞬變響應(yīng)性能

　 當(dāng)LDO輸出供電的數(shù)字電路從一種運(yùn)行模式切換到另一種運(yùn)行模式時(shí)， LDO的負(fù)載需求會(huì)快速變化。負(fù)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(huì)對(duì)很大的電壓變化產(chǎn)生不良反應(yīng)。因此，改善LDO的負(fù)載瞬變性能十分重要。

　 傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)包括一個(gè)誤差放大器和一個(gè)傳遞器件，如圖1所示。從這種結(jié)構(gòu)可以很容易看出負(fù)載變化對(duì)LDO運(yùn)行的影響。

圖1：傳統(tǒng)LDO的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

　 LDO的負(fù)載電流變化會(huì)改變LDO的輸出電壓電平，直到誤差放大器感知負(fù)載電流的變化而驅(qū)動(dòng)通路晶體管來(lái)補(bǔ)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(gè)延遲時(shí)間內(nèi)，LDO輸出會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰。通過(guò)減少延遲時(shí)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(gè)主要原因是需要對(duì)傳遞器件的寄生電容進(jìn)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(huì)超過(guò)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(guò)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(huì)明顯限制寄生電容的充電時(shí)間。

　 縮短寄生電容充電時(shí)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(gè)增益級(jí)，而LDO穩(wěn)壓器的功率晶體管則成為了第三個(gè)增益級(jí)。為了提高這個(gè)三級(jí)放大器的穩(wěn)定性，通常可以采用不同的補(bǔ)償方法，但這些方法都會(huì)減少帶寬，并增加誤差放大器的響應(yīng)時(shí)間。

負(fù)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(guò)誤差放大器來(lái)改良負(fù)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(huì)使一個(gè)具有微小靜態(tài)電流的誤差放大器在輸出級(jí)產(chǎn)生一個(gè)低頻極點(diǎn)。圖2所示的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行一個(gè)非常復(fù)雜的修正，目的是通過(guò)減小誤差放大器的帶寬來(lái)獲得更高的穩(wěn)定性。為了避免采用過(guò)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(jí)的高輸出阻抗與傳遞器件的高負(fù)載電容隔離開(kāi)來(lái)，見(jiàn)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。

　 這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于主放大器和緩沖器是串聯(lián)的，所以延遲時(shí)間將由電路中速度較慢的部件來(lái)決定。

　 在結(jié)構(gòu)[3]中，LDO采用了兩個(gè)放大器，分別是誤差放大器A1和電流反饋放大器A2，如圖4所示。電流反饋放大器具有第二級(jí)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(huì)降低誤差放大器A1的增益下降，從而對(duì)LDO的主要參數(shù)帶來(lái)負(fù)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(jí)，但此類放大器的負(fù)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(huì)超過(guò)幾微安，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)功率晶體管的寄生電容進(jìn)行快速充電。

推薦的改進(jìn)方法和電路結(jié)構(gòu)

　 前文已經(jīng)對(duì)不同的LDO負(fù)載瞬變性能改進(jìn)方案進(jìn)行了分析。盡管采用兩個(gè)運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)傳遞器件似乎是最好的一個(gè)方法，但是通過(guò)上述分析仍可以發(fā)現(xiàn)若干缺點(diǎn)。本節(jié)將討論一種可以消除或減弱這些缺點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

　　在改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中，具有高增益和低帶寬的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)被用作主要的誤差放大器。而這個(gè)放大器決定了LDO的主要性能參數(shù)。第二個(gè)放大器也是基于OTA，但具有相對(duì)較小的增益和較大的帶寬，主要用于監(jiān)測(cè)LDO的輸出。兩個(gè)放大器的輸出并聯(lián)在一起，推薦結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5：兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的兩級(jí)放大器，用于確保LDO的良好性能。由于A1并不是用來(lái)快速驅(qū)動(dòng)功率晶體管MP的，因此可以采用A類輸出級(jí)。反饋電阻Rf1和 Rf2決定了LDO輸出電壓的大小。

　 第二個(gè)放大器具有高帶寬和AB類輸出級(jí)，可對(duì)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(fù)載快速變化時(shí)，如果低通濾波器的時(shí)間常數(shù)大于負(fù)載瞬變變化的時(shí)間，那么A2的反相輸入端將不會(huì)發(fā)生電壓變化。A2的同相輸入跟隨LDO的輸出電壓，并開(kāi)始對(duì)變化作出補(bǔ)償。由于放大器A1的帶寬很窄，因此它會(huì)明顯滯后一段時(shí)間才作出反應(yīng)。經(jīng)過(guò)稍長(zhǎng)于低通濾波器時(shí)間常數(shù)的一段時(shí)間后，A2再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且不會(huì)對(duì)LDO的參數(shù)造成影響。圖6所示為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器A2的結(jié)構(gòu)。圖中只有一個(gè)增益級(jí)和AB類輸出級(jí)。帶寬由偏置電流Ib確定。

圖6：具有一個(gè)增益級(jí)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(jiǎn)化原理圖，圖7(b)是從圖7(a)轉(zhuǎn)化而來(lái)的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)的等效框圖。這樣就可以建立推薦LDO運(yùn)行的幅度響應(yīng)，如圖7(c)所示。在低頻情況下，LDO的運(yùn)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(fù)載瞬變，因此LDO的運(yùn)行便改由快速放大器A2來(lái)決定。由于RC濾波器能夠隔離并聯(lián)放大器A1和A2的運(yùn)行，因此他們不會(huì)在同一時(shí)間工作。

圖7：推薦LDO穩(wěn)壓器的AC分析 (a) 簡(jiǎn)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(fù)載瞬變仿真結(jié)果。左圖為放大器并聯(lián)時(shí)LDO的輸出電壓，而右圖為單一放大器運(yùn)行時(shí)的LDO輸出電壓。從圖中可以看出，放大器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行(左側(cè))和單放大器運(yùn)行(右側(cè))時(shí)的仿真負(fù)載瞬變曲線。

試驗(yàn)結(jié)果

　 推薦的LDO穩(wěn)壓器電路采用0.5微米的CMOS工藝制造，占用面積為0.28mm2。

　 表1列出了測(cè)量結(jié)果，其中最大電流消耗為20μA。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化能使電流消耗更低，但是芯片的面積會(huì)增大，從而對(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)變慢，并對(duì)LDO穩(wěn)壓器的其他主要參數(shù)帶來(lái)不利影響。

表1：推薦LDO穩(wěn)壓器的主要參數(shù)。

　 圖9為測(cè)量所得的負(fù)載瞬變響應(yīng)曲線。其中負(fù)載在1μs內(nèi)從最大值變化到1mA或從1mA變化到最大值時(shí)， LDO穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的輸出電壓尖峰等于60mV 。假如負(fù)載變化的速率較慢(10μs)，那么LDO穩(wěn)壓器輸出的電壓變化可明顯減少至18mV。

圖9：測(cè)得的負(fù)載瞬變響應(yīng)曲線。

　 在10kHz頻率和LDO輸出負(fù)載為20mA時(shí)測(cè)得的電源抑制比(PSRR)為-75dB，而在10Hz到100kHz頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的等效輸出噪聲等于10μVRMS。

本文小結(jié)

　 試驗(yàn)結(jié)果表明，所推薦的LDO穩(wěn)壓器由于具有較優(yōu)的負(fù)載瞬變響應(yīng)性能，因此在低電流消耗的LDO穩(wěn)壓器中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　 最常見(jiàn)的LDO穩(wěn)定性問(wèn)題現(xiàn)在可以通過(guò)兩個(gè)誤差放大器的并行連接得以解決。推薦的LDO結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.LDO的直流和低頻參數(shù)可以由穩(wěn)定且容易設(shè)計(jì)的雙增益級(jí)A類放大器決定。

2.極具魯棒性、響應(yīng)快速的單增益級(jí)AB類放大器可完全應(yīng)對(duì)快速的負(fù)載瞬變，并且不存在任何穩(wěn)定性問(wèn)題。

3.將兩個(gè)放大器并聯(lián)在一起有助于避免穩(wěn)定性問(wèn)題。

4.對(duì)低靜態(tài)電流的LDO穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，放大器之間的電源電流能以最優(yōu)的比例進(jìn)行分配。