摘 要：低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)廣泛應(yīng)用于各種供電系統(tǒng)中，但對(duì)于不同的負(fù)載電流，系統(tǒng)的極點(diǎn)將有很大的變化，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)一種新穎的動(dòng)態(tài)密勒補(bǔ)償電路，使系統(tǒng)在不同負(fù)載時(shí)選擇不同的主極點(diǎn)，電路可以更加穩(wěn)定。該電路不需要外接ESR進(jìn)行頻率補(bǔ)償，并且增加了系統(tǒng)帶寬。此方法設(shè)計(jì)的LDO 具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，并且具有更高的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

關(guān)鍵詞：LDO;動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;ESR;線性穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1801102

Dynamic Technology of Frequency Compensation Applied in LDO

YANG Xiaofeng1，NING Hongying2

(1.Xi′an Microelectronics Technology Institute，Xi′an，710054，China;2.Xi′an University of Technology，Xi′an，710048，China)

Abstract：Low DropOut(LDO) regulators are widely used in all kinds of power system.However，with different load current，the system′s pole will change prodigious，the system may presents instability when no compensation.This paper designs a new and unique dynamic Miller compensative circuit，system selects different host pole with different load current.This circuit implements frequency compensation without external ESR and widens bandwidth.The designed LDO has advantages of high speed and stabiligy，and has higher voltage regulation and load regulation of rates.

Keywords：LDO;dynamic compensation;ESR;linear stability

1 引 言

線性穩(wěn)壓電源因其無(wú)需電感元件、易于單片集成、成本低、輸出電壓無(wú)開關(guān)噪聲的特點(diǎn)，是功率管理系統(tǒng)的重要組成部分，它常被用作開關(guān)穩(wěn)壓電源的后級(jí)或在電池供電的系統(tǒng)中。但由負(fù)載電流變化所引起的穩(wěn)定性問題，使大多數(shù)LDO 穩(wěn)壓器的工作范圍受到限制，尤其對(duì)LDO ，它必須在不大穩(wěn)定的(合理的起伏) 直流輸入電壓下產(chǎn)生恒定的輸出電壓，用做其他電路的電源電壓。若不能滿足穩(wěn)定性指標(biāo)，則整個(gè)電路將振蕩。本文提出了一種新穎的動(dòng)態(tài)密勒補(bǔ)償電路，使芯片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)隨負(fù)載電流變化的零點(diǎn)。該電路不需要外接ESR 進(jìn)行頻率補(bǔ)償，并且增加了系統(tǒng)帶寬。由這種方法設(shè)計(jì)的LDO 具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，并且具有更高的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

2 傳統(tǒng)的LDO頻率補(bǔ)償技術(shù)及其缺點(diǎn)

如圖1所示，R1，R₂構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，輸出電壓由兩者之間比值和基準(zhǔn)電壓決定:Vout=(1+R₂/R1)*Vref(1)

線性穩(wěn)壓電源是典型的負(fù)反饋系統(tǒng)，需要頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)以獲得穩(wěn)定性。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源利用輸出端電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）保證穩(wěn)定性。

圖1 傳統(tǒng)的ESR補(bǔ)償技術(shù)在圖1中，Cpar為調(diào)整管柵極電容，通常為獲得一定的電流輸出能力和降低漏失電壓，調(diào)整管尺寸很大，使Cpar高達(dá)100 pF級(jí)。Cb為輸出端所接的高頻旁路電容，為獲得較好的瞬態(tài)響應(yīng)和降低輸出電壓中的噪聲，Cb通常在μF級(jí)。因此系統(tǒng)存在2個(gè)低頻極點(diǎn)：P1=1RopassCb;P2=1RoaCpar(2)式（2）中Roa，Ropass為誤差放大器、調(diào)整管的輸出電阻；Cpar為輸出調(diào)整管的柵極電容；Cb為旁路電容。

驅(qū)動(dòng)負(fù)載情況下，輸出電阻變?yōu)镽L和Ro－pass的并聯(lián)，當(dāng)輸出端接不同的負(fù)載，等效輸出電阻變化很大，系統(tǒng)的主極點(diǎn)P1將發(fā)生很大的變化。如果不進(jìn)行頻率補(bǔ)償，會(huì)造成負(fù)的或較低的相位裕度，前者使負(fù)反饋?zhàn)兂烧答仯瓜到y(tǒng)不穩(wěn)定，后者會(huì)使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)變差。為此，通常的做法是在輸出端并接1個(gè)電容，并利用其等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生1個(gè)零點(diǎn)，以抵消極點(diǎn)的影響，來(lái)提高系統(tǒng)的相位裕度，但由于負(fù)載發(fā)生變化使系統(tǒng)的零極點(diǎn)也發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)引入第三個(gè)極點(diǎn)。通常情況下P3極點(diǎn)的頻率很高，落在0 dB增益頻率以外，可以不予考慮。下面是系統(tǒng)的零極點(diǎn)，P1=1RopassCb； P2=1RoaCpar；

P3=1ResrCo； Z1=1ResrCo(3)

圖2是該系統(tǒng)在不同負(fù)載電流下的幅頻響應(yīng)曲線，可以看到隨著負(fù)載電流的變大，極點(diǎn)P1增大得很快，P2可近似認(rèn)為不變，系統(tǒng)的帶寬會(huì)增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)變差。

圖2 典型的LDO頻率響應(yīng)采用電容的等效串聯(lián)電阻引入零點(diǎn)，以獲得穩(wěn)定性的方法，主要有以下缺點(diǎn)：

(1)增大瞬態(tài)輸出電壓變化；

(2) 增大高頻電源紋波對(duì)輸出端的影響:ΔVo=RESRRESR+Ropass*Vripple

(3) 輸出端并聯(lián)2個(gè)電容，增加了成本。

3 LDO動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)

圖3為L(zhǎng)DO動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償電路。Q1，Q98，Q93，Q95，Q9構(gòu)成電流緩沖器，為調(diào)整管提供較大的柵極充電電流，同時(shí)提高調(diào)整管柵極節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)頻率，即由1RoaCpar提高到1(2/g)Cpar，g為Q98，Q9跨導(dǎo)。

C7是米勒補(bǔ)償電容用于在系統(tǒng)重負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生系統(tǒng)的主極點(diǎn)P2′，以替代P1。在普通的米勒補(bǔ)償中，補(bǔ)償電容的兩端接在增益級(jí)的輸入和輸出端，而在圖3中，米勒補(bǔ)償電容C7一端接在輸出端，另一端接在MN82的源極，由于MN82的柵極接參考電壓，故MN82可看作為共柵連接（電流緩沖）。

MN82的源極輸入阻抗遠(yuǎn)小于漏極電阻，故對(duì)于反饋信號(hào)，能夠較容易地由源極傳播到漏極，而對(duì)于直饋信號(hào)，從MN82的漏極傳播到源極很困難，故消除了右平面零點(diǎn)。

采用電流緩沖的米勒補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)的電源抑制比（PSRR）。

與普通的米勒補(bǔ)償和加電壓緩沖的米勒補(bǔ)償相比，極點(diǎn)分離更明顯，即高頻極點(diǎn)被推到了更高的頻率，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖3 LDO動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)米勒電容C7的引入使得系統(tǒng)的零極點(diǎn)發(fā)生分離，在重負(fù)載條件下，C7引入的主極點(diǎn)為：P2′=1RoagmpRLC7（4）

而P1由于極點(diǎn)分離，由P1=1RopassCb變?yōu)椋邯И1′=goaRoagmpCb（5）

由式（5）可以看到，與普通補(bǔ)償相比（P1=gmp/Cb），P1′增大了goaRoa倍。有效地實(shí)現(xiàn)了極點(diǎn)分離，提高了系統(tǒng)的相位裕度。

為此，在輕負(fù)載情況下（P1較低），仍以P1為主極點(diǎn)；在重負(fù)載情況下，以C7引入的米勒極點(diǎn)P2′為主極點(diǎn)。P1由于米勒補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)分離特性，被推到了高頻點(diǎn)位置，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 電路仿真

運(yùn)用Hspice進(jìn)行電路仿真，可以看到電路在不同負(fù)載情況下系統(tǒng)帶寬約為70 kHz，隨負(fù)載變化很小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)LDO中ESR頻率補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于米勒補(bǔ)償?shù)腖DO補(bǔ)償電路。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶寬大、增益高、并且?guī)捇旧喜浑S負(fù)載電流變化的特點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介 楊小峰 西安微電子技術(shù)研究所碩士研究生。

寧紅英 西安理工大學(xué)教師。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文