一種低電壓低靜態(tài)電流LDO的電路設(shè)計(jì)（一）

隨著過(guò)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(jiǎn)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(shì)是低電壓、低靜態(tài)電流來(lái)延長(zhǎng)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(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)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(lái)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(chǎng)合。第二個(gè)問(wèn)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(wèn)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(jiǎn)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(guò)R2為PTAT電流。通過(guò)鏡像流過(guò)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(guò)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(guò)式(1)可以得到PTAT電流：

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