極點跟隨的LDO穩(wěn)壓器頻率補償方法的研究

LDO穩(wěn)壓器的頻率補償設計，不僅直接決定了頻率穩(wěn)定性，而且對LD0穩(wěn)壓器的性能參數(shù)，尤其是瞬態(tài)響應速度，有很大的影響。此外，隨著當前半導體集成電路工藝的發(fā)展，越來越多的功能電路能夠被集成于單一芯片中，而現(xiàn)有的LDO穩(wěn)壓器頻率補償技術，對芯片上頻率補償電容的需要，大大阻礙了LDO穩(wěn)壓器芯片集成度的提高和與其他功能電路的系統(tǒng)集成。

　　本文對LDO穩(wěn)壓器的頻率穩(wěn)定問題，和現(xiàn)有的頻率補償設計技術進行了理論分析。在此基礎上，提出了一種新型的頻率補償方法，并給出了電路實現(xiàn)途徑。通過一個采用TSMC0.18 μm混合信號半導體工藝，最大輸出電流為100 mA的LDO穩(wěn)壓器設計，對該方法做出了進一步的說明。最后，結(jié)合LDO穩(wěn)壓器的HSpice仿真結(jié)果，對本文提出的頻率補償方法的效果進行了討論。

　　便攜電子設備無論是由蓄電池組，還是交流市電經(jīng)過整流后(或交流適配器)供電，工作過程中，電源電壓都存在變化。例如單體鋰離子電池充足電時的電壓為4.2 V，放電后的電壓為2.3 V，變化范圍很大。而各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響，還受負載變化的影響。因而近年來，低壓差線性穩(wěn)壓器(LowDropout Linear Regulator)以其低成本，高電池利用率，潔凈的輸出電壓等特點，被廣泛應用于移動電話、掌上電腦等消費類電子產(chǎn)品，以及便攜式醫(yī)療設備和測試儀器中。

　　2 LDO穩(wěn)壓器頻率補償

　　LDO穩(wěn)壓器的典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中，Vref為具有良好溫度特性的電壓參考信號，Vin為不穩(wěn)定的輸入電壓信號，Vo為輸出電壓信號。LDO穩(wěn)壓器利用由壓差放大器、電壓緩沖器、電壓調(diào)整管Mpass和反饋網(wǎng)絡構(gòu)成的負反饋環(huán)路，維持Vo穩(wěn)定。

　　當環(huán)路對一定頻率的信號的相移達到-180°時，負反饋成為了正反饋，如果環(huán)路增益T仍大于單位增益，環(huán)路將產(chǎn)生自激振蕩，失去穩(wěn)定Vo的作用，故需要頻率補償設計，來保證在相移達到-180°之前，T已衰減到單位增益以下。在單位環(huán)路增益頻率fu處，環(huán)路相移與180°的和，被稱為相位裕度θ。在θ與閉環(huán)增益Ac1間存在以下關系：

　　由式(1)可以看到，若相位裕度小于60°，則OAdO大于1/β，即發(fā)生過沖。過沖會導致LDO穩(wěn)壓器的階躍響應呈現(xiàn)欠阻尼振蕩(振鈴)。因而相位裕度不僅是考察頻率穩(wěn)定性的重要參數(shù)，而且對瞬態(tài)響應也有很大影響。

　　圖1中存在兩個低頻極點，分別為位于電壓緩沖器輸出端的極點P1，和LDO穩(wěn)壓器輸出端的極點P2。P1與P2的值由電壓緩沖器的輸出等效電阻Ro1，Mpass的柵、源極電容Cgs，LDO穩(wěn)壓器輸出端的等效電阻Ro2和外接電容Co決定：

　　為保證LDO穩(wěn)壓器的頻率穩(wěn)定性和足夠的相位裕度，P1與P2的間距(P1／P2)應足夠大。但由式(3)，P2隨著LDO穩(wěn)壓器的輸出電流的增大，逐漸向高頻移動，使P1和P2的間距縮小，造成頻率穩(wěn)定性變差。