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)字電路從一種運行模式切換到另一種運行模式時， LDO的負(fù)載需求會快速變化。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)字電路都會對很大的電壓變化產(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)包括一個誤差放大器和一個傳遞器件，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LDO運行的影響。

圖1：傳統(tǒng)LDO的結(jié)構(gòu)簡圖。

　 LDO的負(fù)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(fù)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(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。

　 縮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，通常可以采用不同的補償方法，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(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誤差放大器來改良負(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(jìn)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(fù)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。

　 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，如圖4所示。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(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，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超過幾微安，因此無法實現(xiàn)對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(jìn)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)如圖5所示。

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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載快速變化時，如果低通濾波器的時間常數(shù)大于負(fù)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(jìn)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LDO運行的幅度響應(yīng)，如圖7(c)所示。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(fù)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(fù)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(fù)載瞬變曲線。

試驗結(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列出了測量結(jié)果，其中最大電流消耗為20μA。經(jīng)過進(jìn)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(fù)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(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， 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)所測得的等效輸出噪聲等于10μVRMS。

本文小結(jié)

　 試驗結(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)壓器中具有無可比擬的優(yōu)勢。

　 最常見的LDO穩(wěn)定性問題現(xiàn)在可以通過兩個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：

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

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

3.將兩個放大器并聯(lián)在一起有助于避免穩(wěn)定性問題。

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