淺談低電壓低靜態(tài)電流LDO的電路設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種低電壓低靜態(tài)電流的線性差穩(wěn)壓器。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LDO具有獨(dú)立的帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器，在提出一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的LDO，把帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器合二為一，因而實(shí)現(xiàn)了低靜態(tài)電流消耗的目的。設(shè)計(jì)采用CSMC0.5 μm 雙阱CMOS工藝進(jìn)行仿真模擬，這種結(jié)構(gòu)LDO在輕負(fù)載情況下靜態(tài)電流僅為1.7 μA，輸出暫態(tài)電壓最大變化為9 mV.

　　隨著過去幾十年里掌上智能終端快速發(fā)展，低壓差的線性穩(wěn)壓器（Low Drop-out Regulator，LDO）因其具有低功耗、高的電源抑制比、體積小、電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)得到大量應(yīng)用。LDO大部分時(shí)間工作在低負(fù)載應(yīng)用，因此，其在低負(fù)載情況下的靜態(tài)電流消耗決定著電池的壽命。當(dāng)今的LDO發(fā)展趨勢是低電壓、低靜態(tài)電流來延長電池使用壽命。然而，低靜態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性，帶來大的輸出電壓暫態(tài)變化，必須在靜態(tài)電流和輸出暫態(tài)特性進(jìn)行合理的折中。相比于傳統(tǒng)LDO采用分立結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器，本文給出一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的LDO，將帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器兩個(gè)模塊合二為一，因此更容易實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流消耗，低暫態(tài)電壓變化。

　　1 LDO電路分析

　　圖1給出精簡結(jié)構(gòu)的LDO，僅僅包括4條主要的電流支路，分別是：增益級(jí)、緩沖級(jí)和2個(gè)PTAT電流源。

　　相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LDO，精簡結(jié)構(gòu)將帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器合二為一，因此在其他性能不變情況下，可將電路靜態(tài)電流消耗減小到原來1 2 左右。

　　這個(gè)電路存在兩個(gè)缺點(diǎn)：輸出電壓為帶隙基準(zhǔn)電壓不可調(diào)；需要使用NPN晶體管，而標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中并不存在NPN晶體管。由于如今的SoC趨向工作在低電壓環(huán)境，因此這種結(jié)構(gòu)能夠有充足的應(yīng)用場合。第二個(gè)問題在單片設(shè)計(jì)時(shí)候，采用雙阱CMOS工藝，只需增加一道掩膜工藝，費(fèi)用增加不多，因此兩個(gè)問題實(shí)際應(yīng)用并不明顯。

　　1.1 帶隙基準(zhǔn)電壓分析

　　三極管基射級(jí)電壓和熱力學(xué)電壓分別具有負(fù)、正溫度系數(shù)，因此帶隙基準(zhǔn)電壓的原理是疊加三極管基射級(jí)電壓和熱力學(xué)溫度電壓，達(dá)到在室溫下的零溫度系數(shù)。

　　在精簡LDO結(jié)構(gòu)中，晶體管Q3和電阻R2定義帶隙基準(zhǔn)電壓，流過R2為PTAT電流。通過鏡像流過晶體管Q1電流。晶體管Q3偏置到集電極電流。因此，在環(huán)路中，晶體管Q1和Q3將調(diào)整到相同的基射級(jí)電壓值。尤其環(huán)路比較高的情況下，這種調(diào)整是相當(dāng)精確的。因此，通過合理設(shè)計(jì)電阻R2和R3，晶體管Q1，Q2和Q3有相同的集電極電流。因此：

　　式中：IS 是三極管飽和電流；β2 是晶體管Q2的電流增益；n 是晶體管Q2和Q1射級(jí)面積比。通過式（1）可以得到PTAT電流：

　　因此通過晶體管Q3的基射級(jí)電壓和R2電壓疊加即可得到輸出電壓值：

　　調(diào)整電阻比值，使VT 系數(shù)值為17.2，即可得到溫度系數(shù)為零的帶隙基準(zhǔn)電壓。

　　1.2 LDO頻率分析