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在微电子电路设计中,往往会用到各种各样的电压等级,一般我们获取这些电压的途径无非几点:1)从外部引入,做滤波隔离处理;如线性变压器变换获得。2)电路板内部压降方式转换,内部转换无非就是用电源芯片管理芯片来转换所需要的电压;通过LDO和DC-DC转换

在微电子电路设计中,往往会用到各种各样的电压等级,一般我们获取这些电压的途径无非几点:

1)从外部引入,做滤波隔离处理;如线性变压器变换获得。

2)电路板内部压降方式转换,内部转换无非就是用电源芯片管理芯片来转换所需要的电压;通过LDODC-DC转换获得。
LDO=low dropout regulator,低压差线性稳压器。“低压差”:输出压降比较低,例如输入3.3V,输出可以达到3.2V;“线性”:LDO内部的MOS管工作于线性电阻;“稳压器”说明了LDO的用途是用来给电源稳压;由于一般的LDO封装都比DC-DC小的多,并且成本也低得多,因此在很多电子产品设计中,都会使用到LDO来转换我们所需要的电压,当然在选择使用LDO的前提下,是需要满足对噪声的反应和耗电等基本要求的。

一般是三端或四端集成稳压方式封装,压差越大,调整管消耗功率越大。于是就出现了低压差的集成稳压器,称为低压差线性稳压器——Low Dropout Regulator,简称LDO,可以低至10mV数量级。

当要求输出电压中纹波、噪声特别小的场合,输入输出电压差不大,输出电流不大于100mA时采用微功耗、低压差(LDO)线性稳压器是最合适的。

实现LDO的基本思想

PNP型结构的LDO

当调整管使用PNP管时,电路如图1所示。可以看出,此时整个环路仍是负反馈,而输入输出之间的电压跌落仅仅是Q1的饱和压降, 一般在百mV左右,取决于负载电流大小——输出电流越大,跌落电压也越大。

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图1 PNP型LDO 内部简化结构

PNP型LDO的主要缺点是,它只有一个晶体管,电流增益是有限的,因此Q2发射极 流过的电流约为输出电流的1/β,而调整管的β一般较小,导致这个电流较大。

这个电流直接流向了稳压器的接地端,它与其它支路流进地的电流一起,被称为地电流。地电流大,一方面会降低效率,另一方面对LDO扩压电路带来不稳定因素。

PMOS型结构的LDO

PNP型调整管结构中,其基极电流不可必须考虑,采用场效应管方案可以解决这个问题,PMOS型结构的LDO,电路如图2所示。

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图2 PMOS型LDO 内部简化结构

电路工作原理类似于PNP型结构,但是它没有了门极电流,因此大幅度减小了地电流。与PNP相比,PMOS型LDO的另外一个好处是,它能够实现更小的跌落电压,通常可以低至10mV数量级。当然,这也与输出电流有关。

使用不同类型的LDO时需要注意事项:

1)LDO是一个包含比较放大器、调整管、采样网络的一个大闭环,只考虑静态时,它处于标准的负反馈状态,是稳定的。

2)环路中任何环节,都会产生增益和相移,在没有补偿的情况下,这些环节的相移都是滞后的,且是随着频率的增加,其绝对值是增加的,即这些相移是由极点产生的。

3)每个极点,会产生最大-90°的滞后相移。理论上,当存在两个极点时,频率升至无穷大,滞后相移才会达到-180°——这就等于说永远不会达到;而存在3个极点时,一定会 在某个频率处,使得滞后相移达到-180°。

4)在某个频率处,如果整个环路的滞后相移达到180°,而环路增益还没有跌落到1以下,此环路就一定会发生自激振荡

5)LDO的输出必须接一个大电容,以保证电源在面临负载突然加重时,具有良好的 动态性能——输出电流突然增加时,大电容可以暂时提供负载的电流需求,不至于使得输 出电压突然降低。这个电容必不可少。

6)输出电容的存在,给整个环路增加了一个极点,多出了最大-90°的相移,加重了整个环路满足自激振荡的可能性。

7)LDO的调整管工作于共射极状态,具有很大的输出电阻;而标准稳压器的共射极形式,输出电阻极小。这导致两者的极点频率不同:LDO的极点频率要远低于标准稳压器的极点频率。

避免自激振荡的方法,常见的有两个,第一是改变极点位置,比如将第一个极点尽量降低,使得增益在极低频率处就开始下降,到相移达到-180°时,环路增益已经下降到1以下。第二, 是给整个环路增加一个或者多个零点——每增加一个零点,会产生最大90°的超前相移,以抵消极点的作用。而这个零点增加,需要用户在组成LDO电路时完成。

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