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LDO 电路设计-复旦唐长文
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2023-03-06
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LDO 电路设计-复旦唐长文
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1
目录
目录 ...............................................................................................................................1
摘要 ...............................................................................................................................2
第一章 绪论 .................................................................................................................3
第二章 LDO 的频率补偿............................................................................................4
2.1 LDO 电路分析.....................................................................................................4
2.2 ESR 补偿..............................................................................................................6
2.3 VCCS 补偿...........................................................................................................7
第三章 电路设计及验证 ...........................................................................................11
3.1LDO 电路设计...................................................................................................11
3.2 ESR 补偿设计....................................................................................................14
3.3 VCCS 电路设计.................................................................................................15
第四章 电路仿真及比较 ...........................................................................................19
第五章 总结 ...............................................................................................................24
附录 .............................................................................................................................25
参考文献 .....................................................................................................................28
致谢 .............................................................................................................................28
2
摘要
电压稳定对于如今的电子器件来说是一个非常重要的工作条件。稳压器已成
为如今电路系统中一个很关键的部件,转换效率高,体积小,低噪声是衡量一个
稳压器好与不好的重要标准。
低压降稳压器(LDO)由于其转换效率高,体积小,低噪声,在电路中的应
用十分广泛,作为一个稳压器,其交流频响特性十分重要,在实际应用中为了得
到更大的带宽和相位裕度,往往要加上频率补偿电路。ESR 电阻补偿通过加上合
适零点的方法改善频率特性,是常用的频率补偿方法。但一种新的补偿电路
VCCS 也可以产生所需要的零点。
本文在对 LDO电路及其补偿电路作出介绍的同时,试图验证这种新的 VCCS
补偿电路,并对其和 ESR 两种补偿方法在频响,瞬态特性和抗干扰方面作出的
比较。
关键词:低压降稳压器 LDO,ESR,VCCS
3
第一章 绪论
由于各种电子系统所需的供应电压不尽相同,供应电压的转换一直是十分重
要的研究课题。
电压转换的方式大致可分为两种,一种是切换式稳压器(switch-mode),一
种是线性稳压器(linear regulator)。
切换式稳压器的转换效率很高,在实际应用中甚至可超过百分之九十,但其
输出电压扰动和噪声太大;就制造来说,所占硅片面积也不符合现在小型化的要
求。对于线性稳压器来说,其优点在于噪声小,输出稳定不易受负载影响,但转
换效率较低。
对于线性稳压器来讲,其输出电压一定小于输入电压,只能用于降压转换。
当输入输出电压差(drop-out voltage)小到某一程度,便称此种线性稳压器为低
压降线性稳压器(low drop-out voltage regulator)。相对一般线性稳压器而言,低
压降稳压器有较高的转换效率。若是用于以电池作为电源的场合可以有效的延长
电池使用时间。低压降稳压器由于其转换效率高,体积小,低噪声的特点,在由
电池提供电源的可携式系统以及通讯相关的电子产品上,均被大量地使用。【1】
低压降稳压器(LDO)减小了输入输出电压差,提高了转换效率,但在电路
稳定性上有所下降。而且低压降稳压器有着高输出电阻,使得输出极点的位置与
负载情况有很大关系。因此在采用 LDO 常常给其加上频率补偿电路。其中比较
常用的是 ESR 补偿。但 ESR 有其自身的缺陷,在实际应用中,ESR 补偿的效果
依赖于 C
L
的大小,这样一来根据不同的负载情况必须更换不同的 ESR。在设计
和应用上带来一定的麻烦。对电容补偿的改进产生了一种新的补偿方法 VCCS
补偿,与 ESR 相比,这种方法能够较好的改善频率特性,减小过冲,具有很大
的实际应用价值。
4
第二章 LDO 的频率补偿
2.1 LDO 电路分析
VRef
out
V
dd
V
s
s
V
2
R
1
R
L
C
L
R
Error
E
mplifier
P
AR
C
P
AR
R
ds
r
g
dpass
C
Pass
Transistor
图 2.1.典型 LDO 电路
图 2.1 是一个典型的 LDO 基本电路
图 1 中的 LDO 电路用 PMOS 管充当 Pass Transistor,与分压电路R
1
和R
2
,参
考电压V
ref
,差分放大器 Error Amplifier 组成负反馈电路。当负反馈稳定,开环
增益远大于 1 时,可得输出电压为:
2
Re
1
1
out f
R
VV
R
⎛⎞
=+
⎜⎟
⎝⎠
(1)
采用 PMOS 做 Pass Transistor 的 LDO 与以前流行的 N-P-N 稳压器有很大的不同。
N-P-N 稳压器与 LDO 最大的不同是用做 Pass Transistor 的管子类型不同,(如图 2.2)
其压降可表示为:【4】
DROP BE SAT
V=2V+V (2)
由于其采用了射极跟随接法,使得输出电阻低,在任何负载情况下的稳定性
都能保持得很好。
LDO 将其换成 PMOS 后,虽然压降最小可达到 V
SAT
,但其输出电阻变得很大,所以
其极点位置和 R
L
有非常大的关系。
5
VOLTAGE
CONTROL
in
V
out
V
GND
图 2.2.典型 N-P-N 稳压器
LDO 的主要极点有两个,一个在输出节点V
out
处,一个在 Pass Transistor 的
栅端。其它寄生节点(如在 Error Amplifier 输入端节点 2 处)一般来说远大于单
位带宽,计算时可以忽略。当 Pass Transistor 的栅漏电容C
gdpass
很小时,两个主
极点为:
()
()
1
12
1
P
ds L L
rRRRC
ω
=
+&&
(3)
()
()
()
2
12
1
P
par par mpass ds L gdpass
RC g r RRRC
ω
=
++&&
(4)
如果考虑 C
gdpass
的话,断开闭环,推导可得到:
()()
1,2
11 1
2
mpass gdpass
P
LT L
P
AR PAR gdpass PAR gdpass L
gC
RC
R
CC CC C
ω
⎛⎞
⎜⎟
≅++
⎜⎟
++
⎝⎠
*
()
()()
2
1
114
11
PAR LT PAR gdpass L
mpass gdpass
LT L
PAR PAR gdpass PAR gdpass L
RRC C C
gC
RC
RC C C C C
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
+
⎜⎟
±−
⎜⎟
⎛⎞
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
++
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
++
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
⎝⎠
(其中
(
)
LT 1 2
R
ds L
rR RR=+&& ) (5)
所以 LDO 的开环增益为:
0
()
12
11
s
pp
A
H
ss
ωω
≈
⎛⎞⎛⎞
++
⎜⎟⎜⎟
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
(6)
其中 A
0
是直流增益。其表达式如下:
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