極點跟隨的LDO穩壓器頻率補償方法的研究

　　輸出電流監測電路中的MP3與LDO穩壓器的電壓調整管Mpass的源、柵極驅動電壓相等，且由于運放OPA輸入端“虛短”特性，MP3的漏極(OPA正向輸入端)電壓等于Mpass的漏極(OPA負向輸入端)電壓，故有：

　　對照式(3)與式(13)，可以看到，P1／P2獨立于Io，故圖2中的LDO穩壓器獲得了在整個負載變化范圍內的頻率穩定性。

　　4 仿真結果與討論

　　采用TSMC 0.18 μm混合信號Spice模型，和高精度仿真工具HSpice，對圖2中的LDO穩壓器進行了設計與仿真驗證。在Co=1 μF，Io=100 mA的條件下，環路增益T的幅頻與相頻響應的仿真結果如圖3所示，在單位環增益頻率內，幅頻特性與單極點系統相同，以-20 dB／dec的速度衰減，相位裕度大于80°。

　　圖4為輸出電流Io在20 ns內由0跳變為100 mA時，LDO穩壓器輸出電壓Vo的瞬態響應。由圖4可以看到，Vo從空載到滿載的轉換時間約為0.5μs。如此良好的瞬態響應是由于極點跟隨頻率補償具有以下優點：極點P1對P2的跟隨，減小了P1的附加相移，增加了相位裕度，則由式(1)，有利于減小過沖導致的輸出電壓振鈴現象；無需引入零點，因而避免了零、極點對造成的輸出電壓穩定時間的增加；對帶寬沒有限制，且無需米勒頻率補償電容，則由式(7)，有利于減小環路延時。此外，電壓緩沖器中的甲乙類推拉結構和動態電流，對提高響應速度也有很大幫助。

　　最后需要說明的是，對輸出電壓Vo進行的直流掃描結果表明，Vo在整個輸出電流范圍內的變化較大，約為4 %。經分析，主要由以下因素造成：圖2中的寬帶壓差放大器的非對稱結構引入了較大的輸入失調電壓；雙極器件的基極電流，以及NPN型器件與PNP型器件參數(放大倍數等)的差異引入的誤差。通過改用對稱結構的低失調壓差放大器，并將雙極器件替換為MOS器件，可提高LDO穩壓器的精度。但是由于低失調壓差放大器引入的低頻極點，以及MOS器件的低跨導造成的P1的頻率降低，會減小相位裕度，所以應避免在壓差放大器中采用電流鏡(引入鏡極點)或共源共柵(增加節點電阻)等結構，并適當提高電壓緩沖器中器件的尺寸和偏置電流。

　　本文提出的極點跟隨的頻率補償方法，提供了LDO穩壓器良好的頻率穩定性和瞬態響應，且無需芯片上頻率補償電路，因而不僅適用于高負載變化響應速度的單芯片LDO穩壓器，在集成電源管理和片上系統（SOC）方面，也有較好的應用前景。