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1 引 言 低壓差線(xiàn)性穩壓器LDO(Low Drop-Out regulator)在便攜式電子設備供電系統中有著(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。本文根據LDO穩壓器的結構特點(diǎn)，設計一種快速響應通路，通過(guò)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(gè)大的電壓響應。該電路具有響應速度快、穩定性好的特點(diǎn)，可廣泛應用于不同的低壓差線(xiàn)性穩壓器。 2 LDO工作原理 圖1是低壓差線(xiàn)性穩壓器的工作原理示意圖。 誤差放大器一端接基準電壓Vref，另一端聯(lián)接反饋回路，輸出端連接調整輸出管Mp。通過(guò)比較和放大基準電壓與反饋電壓的差值來(lái)控制調整管的柵極電壓，以此控制通過(guò)晶體管的電流，使電路達到一個(gè)穩定地輸出電壓。 3 誤差放大器和緩沖級設計 3.1 簡(jiǎn)介 圖2為電路原理圖。 圖2中Vref為基準電壓輸入；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(shí)現電壓的穩定輸出。 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(wú)共模電流流過(guò)，其中點(diǎn)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(shí)也提高調整管柵極節點(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為調整管的柵極電容，g為Q98，Q9跨導。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，使電路更加穩定。 對于直流或低頻Vout信號，M83～M86不會(huì )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(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(diǎn)(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(wú)增益，避免了由于對調整管的過(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) 在共模信號下，假設M81有動(dòng)態(tài)電流i1，則i1經(jīng)電流鏡映射到Y節點(diǎn)的電流為i2；而M82在共模信號下，有動(dòng)態(tài)電流i3到Y節點(diǎn)，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節點(diǎn)無(wú)凈動(dòng)態(tài)電流，故共模信號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，差分管跨導的失配等，共模信號會(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跨導的失配△g，若M105的跨導為g，則M106的跨導為g+△g，并令輸出節點(diǎn)Y的阻抗為ro，M88，M89的輸出阻抗為r1，差分管跨導為g1，有： 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： 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，從而調節傳輸管。 圖5為加電容C3前后(左圖為無(wú)C3，右圖為有C3)，負載電流發(fā)生50 mA跳變時(shí)，系統輸出電壓的變化。對照兩圖，可以看到，當無(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{變化。圖6為誤差放大器的幅頻和相頻響應曲線(xiàn)。 5 結 語(yǔ) 本文根據LDO穩壓器的結構特點(diǎn)，設計了一種快速響應通路，通過(guò)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(gè)大的電壓響應。該電路具有響應速度快、穩定性好的特點(diǎn)，可廣泛應用于不同的低壓差線(xiàn)性穩壓器。 |
