LDO稳定性分析

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1、第二章关键技术分析及系统设计11(1)提高误差放大器的增益；(2)提高基准电压的精度；(3)匹配反馈电阻；(4)在不增加过多成本的前提下适当增加器件尺寸或采用共源共栅结构。§2.2负载瞬态响应分析随着各类低压、大负载、高速数字电路的高速发展，我们所设计的LDO也需要适应客户的应用需要，响应速度更加快速化。对于数字应用的环境，由于数字电路开关转换，供电的电源就会经常发生负载阶跃变化，负载的快速变化会使稳压器输出产生一个瞬态脉冲，这对大部分数字电路来说是较难接受的，因此降低LDO线性稳压器的负载瞬态响应脉冲，提高瞬态响应速度是非常重要的和关键的。图2.1给出了LDO负载瞬态响应的典型V

2、(v)[6]波形图。Δt3表征瞬态响应时间的为Δt1和Δt3,Δt2Δt2VOUT和Δt4则表征建立时间。Δt1表示为：Δt411VΔVTRt1tsrCpass(2-7)IOUTBWBWIc1c1srΔt1其中，BWcl为系统的闭环带宽，Cpass为0Time(s)传输管的栅极寄生电容，tsr和Isr分别为传图2.1LDO负载瞬态响应典型波形输管栅极驱动信号的压摆时间和压摆限制电流，ΔV为输出电压变化值。Δt3同样反比于系统的闭环带宽，但它不受压摆电流的限制。为了减小Δt1和Δt3，需要增加系统的带宽和驱动栅极的压摆电流。建立时间Δt2由开环频率响应的相位裕度决定，Δt

3、4由反馈电阻的电流决定。当输出负载阶跃变化时，传统稳压器输出会产生上冲和下冲，该上冲和下冲一方面可以代表负载瞬态响应的速度，同时直接影响输出电压的精度。当输出电流从0跳变到最大输出电流IO(MAX)，那么输出最大下降脉冲值ΔVTR：IIO(MAX)O(MAX)VtVtIR(2-8)TR1ESR1O(MAX)ESRCCOUTOUT由式(2-8)可以看出，影响下冲的因素主要是输出电容值、最大负载电流值、瞬态响应的时间和输出电容的等效串联电阻值。在LDO线性稳压器中，主要由系统的闭环带宽、输出电容值、输出电容的等效串联电阻(ESR)和负载电流这几个因素决定由负载电流突然变

4、化引起输出电压的响应时间。下面对LDO的稳定性、输出电压精度、静态电流和负载瞬态响应速度的关系进行分析。LDO的稳定性受到相位裕度的影响，高增益和宽带宽会削弱环路得稳定性，而快速负载瞬态响应则要求宽的带宽，因此环路稳定性与负载瞬12大负载超快速负载瞬态响应低漏失CMOS线性稳压器态响应是矛盾的关系。环路稳定性与输出电容及等效串联电阻有直接关系，输出电容与输出阻抗形成一个极点，在小负载应用中一般为主极点，输出电容等效串联电阻与输出电容形成的ESR零点也会影响到环路的稳定性。在采用小ESR陶瓷电容时，该零点会远离单位增益带宽，对稳定性影响变小。大输出电容会将输出极点推向原点，减小环路的

5、带宽，提高环路稳定性，但这也减小了负载瞬态响应的速度。而输出精度要求小的ΔVTR，这就要求大的输出电容，这也减小了环路负载瞬态响应的速度，因此输出精度与负载瞬态响应也是矛盾的关系。而且静态电流必然导致压摆电流的减小，进而缩小了瞬态响应的速度。因此，在获得低静态电流的同时必然会衰减负载瞬态响应速度。提高瞬态响应的方法一般是通过增加静态电流来实现；或者是采用双环路结[14]构，通过增加一个快速响应的前馈通路来实现。这两种结构往往是以牺牲效率为代价而且取得稳定性的电路也很复杂。还有一种方法是通过增加buffer来提高[15]瞬态响应速度。buffer结构通常是一个源极跟随器，但这种结构会

6、减小功率管栅极的共模驱动范围因此减小了信噪比。为了能够获得足够大的负载范围，buffer级一般需要轨对轨的运算放大器实现，这就增加了系统的电路难度与复杂度。还有一种方法就是增加一个作为单位增益配置的非buffer结构的运算放大器，这个单位增益配置的buffer的输出阻抗就可以是运算放大器输出阻抗除以环路的增益，这样小的输出阻抗就会在功率管栅极产生小的时间常数，可以保证功率管栅极快[16]速充放电，完成快速响应。综合以上的分析可以得出，负载瞬态响应需要折中环路稳定性、输出电压精度和静态电流，在获得快速负载瞬态响应的同时要达到高输出精度和低静态电流是很艰巨的任务。§2.3稳定性分析2.

7、3.1传统LDO稳压器的稳定性分析及补偿方法任何一个闭环系统都存在环路稳定性问题，作为负反馈系统的LDO当然也不例外。图2.2所示为传统LDO小信号架VIN构，影响系统稳定性的主要因素有：误VREF-Zo1gmpgm1Zo2VFB+MPVout差放大器、调整管、反馈电阻网络、输EAR1C1R出电容及其等效串联电阻(ESR)、输出负RF1ESRFBRCL载、旁路电容等。由于该LDO的架构可LRF2以看成两级运放的架构，我们计算开环[17]增益为:图2.2LDO稳压器的典