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1、目录一线性稳压源的大体结构 错误!未定义书签。二LDO要紧参数错误!未定义书签。1. 负载调整率(LoadRegulation)错误!未定义书签。2. 线性调整率(LineRegulation)错误!未定义书签。3. 压差(Dropout Votage)错误!未定义书签。4. 效率 错误!未定义书签三LDO小信号分析错误!未定义书签。1. 误差放大器分析 错误!未定义书签2. PMOS分析错误!未定义书签。3. 反馈网络分析 错误!未定义书签四 各类补偿方式 错误!未定义书签1. ESR零点补偿错误!未定义书签。2. 内部米勒零点补偿 错误!未定义书签3. 前馈补偿 错误!未定义书签4. 三种
2、方式同时补偿 错误!未定义书签五 总结 错误!未定义书签LDO环路分析及补偿Sim 2仝刚低压差线性稳压器(Low Dropout Voltage Regulator, LDO)属于线性稳压 器的一种，但由于其压差较低，相关于一样线性稳压器而言具有较高的转换效率。 但在电路稳固性上有所下降，而且LDO有着较高的输出电阻，使得输出极点的位 置会随着负载情形有专门大关系。因此需要对LDO进行频率补偿来知足其环路稳 固性要求。内容安排上第一节第一简单介绍各类线性稳压源的区别；第二节介绍LDO 中的要紧参数及设计中需要考虑折中的一些问题；第三节对LDO开环电路的三个 模块，运放模块，PMOS模块和反馈
3、模块进行简化的小信号分析，得出其传输函 数并判定其零极点；第四节针对前面分析的三个LDO环路模块别离进行补偿考 虑，并结合RT9193电路对三种补偿方式进行了仿真验证和说明说明。一线性稳压源的大体结构该电路要紧包括基准电路和相关启动电路，爱惜电路（OTP, OCP等），误差放大器，调整管（Pass Element）和电阻反馈网络。在电路上，通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻对输出电压进行采 样，误差放大器的同相输入端连接到一个基准电压（Bandgap Reference），误差 放大器会使得两个输入端电压大体相等，因此，能够通过操纵调整管输出足够的 负载电流以保证输出电压稳固。电路所采纳
4、的调整管不同，其Dropout电压不同。以前大多利用三极管来作 为稳压源的调整管，常见的有NPN稳压源，PNP稳压源（LDO）,准LDO稳压源， 其调整管如图2所示，其Dorpout电压别离是：VDROP = 2VBE + VSAT NPN 稳压源VDROP = VSATPNP 稳压源（LDO）VDROP = VBE + VSAT 一一准 LDO 稳压源(b) PNP LDOgffi源(c)准LDO稳压源图2线性稳压源中经常使用的三极管调整管由于采纳的三极管调整管，其基极需要消耗必然的电流，因此会产生相应的 损耗功耗为PWR = VIN x IB，某些LDO的PNP管beta值较低的话（152
5、0）,所需IB 较大，那么产生的功率损耗就会较大，效率就会更低，这是咱们不希望看到的。 因此目前大多数线性稳压源都会采纳MOS管来作为调整管。并且单位面积的PMOS 比PNP管具有更小的导通电阻，可使其压降更低。利用NMOS和利用PMOS来作为调整管有很多不同的地方。采纳NMOS管作为 调整管的话，压差较大，但由于接成源跟从器的形式，输出电阻很小，输出极点 比较大，稳固性比较好。采纳PMOS管作为调整管的话，其压差很小，是典型的LDO,可是PMOS管接成共源放大器的形式，其输出电阻较大，产生低频极点，稳 固性较差，一样都需要严格的补偿。具体采纳PMOS作为调整管的LDO电路见图 3所示。Uin
6、图3大体的LDO电路结构二LDO要紧参数1. 负载调整率(Load Regulation)LDO的负载调整能力是指，在输入电压不变的情形下，当负载电流转变时所引发的输出电压的转变。由AV二R -AI，能够取得：()0()(21)AVLR =o 二 R load AIoLDO是典型的Series-Shunt反馈结构，即传统说法上的电压串联负反馈,从输出端采样到电压，以串联的方式接入输入端，该结构的输出电阻为(22)R -rp沁 Lop.1 + A卩 A卩其中rop为Pass Element的输出电阻，A0为LDO的环路增益，A是正向增益，等于误差放大器EA的增益和PMOS共源放大器的增益之积A
7、- Aea - AP，0是反馈传递函数。依照LDO反馈结构能够计算出其输出电压为:V = V -R1 + R 2out ref r 2其中反馈电阻R1和R2见图3所示。由V f = 0V t能够取得:refout卩=_ = VrefR1 + R 2 Vout因此能够取得:rAV = R A =亠 A o o o A0 or=d-V AIAV out o ref由此能够取得负载调整率的三种表达形式，别离是AVLR =oload (1) voutr=-A I (%) AVorefAVoropLR=厂At=希(%/mA)out oref（2-3）（2-4）（2-5）2-6）（2-7）AVr rR1
8、+ R21R1 + R2 , . /o oLR, “、= o = R =_ = op -=-(Q)(28)loadAIo A0A” - AdR2 A” - gR2oEA PEA mp以上三个公式别离对应规格书中不同的负载调整性能表达方式。从中能够看 出运放的增益和输出管的跨导值（输出管的W/L尺寸）关于负载调整性能的阻碍 专门大，因此要提高LDO的负载性能能够这两个方式来实现：一是提高运放的增 益，二是增大输出管的尺寸。2. 线性调整率（Line Regulation）LDO的线性调整率是指在特定负载电流条件下，输入电压引发输出电压的转 变，即AV /AV 。o in关于特定的负载电流，设负载
9、电阻为RL，那么有：29)AVinAVin如=r + R 得 AI =inAI op L o r + Rr oop L结合公式（29）和输出电阻公式（22），得：厂AVAVA0R = o =oAIAV /(r+ R )oin op L2-10)由此能够取得线性调整率的公式为AV1 r 11R1 + R 2o u=AV r + R Apr + R A ” g R2in op Lop L EA mp2-11)考虑到输入Vref对输出Vout的阻碍情形v = v R1+R 2 out ref2-12)AV 1 AVout refAV p AVin in2-13）叠加公式（2-11）和（2-13）能够
10、取得最终线性调整率的公式为LRlineAVoAVin1r + Rtop L1gEA mpR1 + R21 AV+ refR 2 p AVin2-14)能够看出，要达到较好线性调整率一样需要较大的运放增益。3. 压差（Dropout Votage）LDO的压降是一个要紧参数，决定了 LDO的最小输出电压，是指系统对输出 电压具有调整能力的最小值与输入电压的差值。V I R Vdropout load onDS , PMOS（2-15）Dropout Voutage，LDO的最小输出电压和LDO的最大负载电流等参数都来 源于对Pass Element的设计，PMOS尺寸设计是很重要的。4. 效率L
11、DO的效率概念为输出功率与输入功率的比值门out OV（/+ 厶）in - q O（2-16）从中能够看出，要提高LDO的效率能够采取两种方式，一是减小静态工作电 流，二是减小 LDO 的 Dropout Voltage。设计的第一个矛盾在于此，为了取得较高的效率需要减小LDO的压差，那么 需要增大PMOS的尺寸，可是PMOS的尺寸增大的话其寄生电容专门大，需要较大 的工作电流来驱动，在驱动管栅极处的摆率为：SR = CGS, eff（2-17）可见，为了达到较好的瞬态特性，就必需增大运放的工作电流，增大 LDO 的静态电流，如此又在必然程度上减小了 LDO的效率，因此这就成为设计中第一 个需
12、要折中的考虑点。同时，关于运放而言，其增益中gmps近，rx 1/ IB，因此Aea x 1Z IB， 可见一样参数的运放，其静态偏置电流越大，增益就会下降，因此LDO的负载调 整性能和线性调整性能会有所下降。第二个设计矛盾确实是效率和稳固性之间的问题，即PMOS尺寸增大，寄生 电容增大，输出极点减小，会使得系统加倍不稳固。这在后面小信号分析中会详 细介绍。三LDO小信号分析关于LDO的小信号做开环分析，将其环路从反馈途径打开，如图4所示。Vin其中gm1,R1,C1能够看做运放的小信号简化形式；Rf1,Rf2是反馈电阻，这两 个电阻用来产生LDO的输出信号，同时绝对流过其的工作电流IQ，电流
13、IQ阻碍 到PMOS的增益，带宽，和LDO整体的静态电流，一样来讲IQ较小，PMOS增益较 大，LDO的静态电流会减小，但同时带宽也会较小，瞬态性能会降低。因此设计 时IQ适当较小比较好，一样在几微安左右，可是又不能过小。电感Lopen隔间反馈到输入端的AC信号，形成LDO的开环，同时能够反馈直 流信号，可不能阻碍LDO的直流工作状态。Copen耦合进AC信号，同时避免所加 的直流信号阻碍LDO的直流工作点。为了方便小信号分析，能够将以上的小信号AC电流简化为以以下图5所示 的模块框图。PdSS TtflJl.Vout图5 LDO AC开环模块框图Hl, H2, H3别离表示误差放大器，PMO
14、S管和反馈电阻的传输函数。一样的 设计思路是先依照Dropout Voltage和最大负载电流的指标设计出PMOS管，然 后再依照其它指标设计运放和反馈电阻网络。1. 误差放大器分析一样较好的误差放大器设计的极点散布应该是GBW内只有一个极点，第二个 极点约为2GBW或3GBW，如此才能保证运放的相位裕度有6070度，因此那个地 址能够把误差放大器作为图6所示简单的单级跨导运放来分析。该运放的传输函数为：g RH1 二 1(3-1)11 + sRQ存在极点为1/ R - C1。实际中关于不同结构的运放，其极点的计算方式也会不一样。2. PMOS分析LDO电路SPEC规定中，会有一个最小Dropout VoltageMax Current的参数，能够依照那个参数确信所需PMOS的最小宽长比。i2IV 二 V 二-max(32)dropouuDSAT 和 pCOX (W / L)由此能够取得所需最小宽长比为：2【maxPASS 卩 pCOXVDSAT2(33)_W_ LPMOS的宽长比专门大，因此需要考虑其寄生电容值，由W/L的值能够大致从模型数据中得出CGS和CDs的值，几pF到几十pF不等。可是由于Miller效率 的存在使得栅极寄生电容加大。因此等效的
