cmos线性调整器的几个重要特性

电压调整器相关基础知识（二） CMOS 线 性 调 整 器 的 重 要 特 性 本 次 作 为 连 载 的 第 二 讲 将 解 释 有 关 线 性 调 整 器 的 电 气 特 性 。 在 此 列 举 了 输 出 电 压 精 度 、 消 耗 电 流 、 输 入 稳 定 度 、 负 载 稳 定 度 、 输 入 输 出 电 压 差 、 输 出 电 压 温 度 特 性 等 基 本 性 能 。 这 些 都 属 于 调 整 器 系 列 的 本 质 性 特 性 。 针 对 CMOS 线 性 调 整 器 ， 与 双 极 线 性 调 整 器 相 比 并 不 存 在 任 何 可 以 忽 视 的 项 目 。 线 性 调 整 器 的 基 本 特 性 表 3 表 示 CMOS 调 整 器 的 一 般 性 电 气 特 性 。 表 3 General Characteristics of CMOS Regulators by Types Low Supply Current High Voltage Super High Speed GO Nch Large CurrentType XC6504 XC6216 XC6223 XC6220 XC6602 XC6230 Unit Input Voltage Range 1.46 228 1.65.5 1.66 0.53 1.76 V Output Voltage Range 1.15.0 2.023 2.04.0 0.85 0.51.8 1.25 V Output Voltage Accuracy 1 1 1 1 20mV 1 % Max Output Current 150 150 300 1000 1000 2000 mA Dropout Voltage 3300.1 3000.02 2700.3 600.3 150.1 1701 mVA Supply Current 0.6 5 100 8(PS mode)50(HS mode) 6.5(IIN) 100(I BIAS) 45 A CE PIN Yes Yes / No Yes Yes Yes Yes Line Regulation 0.01 0.01 0.02 0.01 0.01 0.01 %/V Temperature Stability 50 100 100 100 30 100 ppm/C PSRR1 kHz 30 30 80 55 75VIN) 60(V BIAS) 70 dB 纹 波 抑 制 CMOS 线 性 调 整 器 虽 然 按 用 途 分 类 多 种 多 样 ， 但 按 性 能 大 致 分 为 有 重 视 低 消 耗 电 流 的 调 整 器 和 重 视 瞬 态 响 应 的 高 速 LDO。 由 于 这 些 区 别 对 于 跟 随 输 入 电 压 或 输 出 电 流 的 变 化 而 不 同 ， 所 以 只 用 一 般 的 DC 特 性 难 以 表 现 。 因 此 最 近 为 了 表 示 CMOS 线 性 调 整 器 的 基 本 特 性 ， 还 包 含 了 纹 波 抑 制 率 。 用 以 下 的 公 式 来 说 明 纹 波 抑 制 率 纹 波 抑 制 率 20Log（ 输 入 电 压 变 化 输 出 电 压 变 化 ） 图 5 中 介 绍 高 速 调 整 器 XC6223 系 列 的 纹 波 抑 制 特 性 。 此 外 ， 图 6 中 表 示 了 实 际 的 波 形 。 用 正 弦 波 表 示 输 入 电 压 的 峰 -峰 值 为 1V 时 ， 可 读 出 改 变 频 率 时 输 出 电 压 的 纹 波 特 性 。 图 5 Ripple Rejection Rate Characteristics (XC6223) XC6223x181 图 6 Ripple Rejection Rate: Actual Input Voltage and Output Voltage Waveform （ IOUT=30mA） Input Ripple Frequency:1 kHz Input Ripple Frequency: 100 kHz 根 据 图 5 中 频 率 为 1kHz 时 的 纹 波 抑 制 率 为 78dB， 与 输 入 电 压 变 化 为 1V 相 对 应 ， 可 得 出 输 出 电 压 的 变 化 为 0.1mV 左 右 ； 虽 然 用 图 6 的 示 波 器 不 能 确 认 这 一 结 果 ， 但 从 示 波 器 能 确 认 当 频 率 为 100kHz 时 ， 纹 波 抑 制 率 为 40dB 左 右 ， 输 出 的 纹 波 电 压 约 为 数 mV 左 右 。 输 入 输 出 电 压 差 接 下 来 ， 介 绍 作 为 表 示 线 性 调 整 器 基 本 性 能 之 一 的 输 入 输 出 电 压 差 。 特 别 是 CMOS 线 性 调 整 器 ， 基 本 上 都 是 输 入 输 出 电 压 差 非 常 小 的 LDO 型 。 这 是 因 为 其 目 的 在 于 把 电 池 用 尽 为 特 征 。 图 7 表 示 输 入 电 压 和 输 出 电 压 的 关 系 。 很 明 显 输 入 输 出 电 压 差 非 常 小 。 图 7 The Relationship between Input Voltage and Output Voltage (XC6209B302: Output Current=30mA) 此 外 ， 按 字 面 解 释 输 入 输 出 电 压 差 是 表 示 输 入 电 压 和 输 出 电 压 的 电 压 差 ， 由 此 说 明 “只 要 输 入 电 压 和 输 出 电 压 之 间 存 在 一 定 的 电 压 差 即 可 汲 取 相 对 应 的 电 流 ”。 作 为 参 考 ， 图 8 表 示 XC6222x281 的 输 入 输 出 电 位 差 特 性 例 。 例 如 把 输 出 电 压 设 定 为 3V 的 调 整 器 ， 为 了 得 到 600mA 的 输 出 电 流 ， 必 须 有 300mV 的 输 入 输 出 电 位 差 ， 即 需 要 3.1V 的 输 入 电 压 。 图 8 Dropout Voltage vs. Output Current (XC6222x281) XC6222x281 最 近 的 LDO， 由 于 P 沟 道 MOS 驱 动 器 的 驱 动 性 能 不 断 得 到 提 高 ， 只 要 有 一 定 程 度 的 输 入 输 出 电 压 差 ， 几 乎 不 存 在 任 何 电 压 下 降 即 可 使 输 出 电 流 达 到 限 定 电 流 值 。 瞬 态 响 应 特 性 瞬 态 响 应 特 性 是 指 输 入 电 压 或 负 载 电 流 成 台 阶 形 变 化 时 的 追 随 特 性 。 随 着 电 子 仪 器 的 数 字 信 号 处 理 中 采 用 触 发 模 式 ， LSI 或 内 存 IC 的 负 载 电 流 的 变 化 变 得 更 大 。 因 此 要 求 不 断 提 高 调 整 器 能 追 随 其 变 化 的 瞬 态 响 应 特 性 。 瞬 态 响 应 特 性 中 包 含 输 入 瞬 态 响 应 特 性 和 负 载 瞬 态 响 应 特 性 ， 线 性 调 整 器 的 瞬 态 响 应 特 性 依 从 于 电 路 的 消 耗 电 流 。 在 此 着 眼 于 基 本 的 内 部 电 路 方 框 图 (第 一 讲 图 4)中 表 示 的 误 差 放 大 器 和 输 出 用 P 沟 道 MOS 晶 体 管 的 门 极 容 量 。 CMOS 线 性 调 整 器 中 装 有 较 大 的 输 出 用 P 沟 道 MOS 晶 体 管 ， 为 了 驱 动 该 P 沟 道 MOS 晶 体 管 所 需 要 的 误 差 放 大 器 输 出 阻 抗 和 MOS 晶 体 管 门 极 容 量 基 本 上 决 定 了 响 应 速 度 。 此 误 差 放 大 器 的 输 出 阻 抗 决 定 于 电 路 中 的 消 耗 电 流 。 消 耗 电 流 越 大 则 阻 抗 则 越 低 ， 既 能 得 到 高 速 响 应 。 高 速 型 产 品 中 插 入 了 用 于 提 高 驱 动 能 力 的 缓 冲 器 ， 缓 冲 器 还 能 起 到 放 大 器 的 作 用 ， 由 此 形 成 初 级 （ 误 差 放 大 器 ： 40dB） （ 缓 冲 器 20dB） （ 输 出 用 P 沟 道 MOS 晶 体 管 ： 20dB） 的 三 级 放 大 。 因 此 ， 高 速 型 产 品 用 开 路 环 增 益 形 成 了 具 有 80dB 以 上 灵 敏 度 的 反 馈 系 统 。 对 输 出 电 压 的 变 化 反 应 灵 敏 并 且 能 高 速 地 响 应 。 实 际 上 从 图 9 观 察 高 速 型 产 品 的 负 载 瞬 态 响 应 波 形 ， 可 以 得 知 经 过 数 秒 后 开 始 恢 复 由 负 载 电 流 的 变 而 引 起 的 输 出 电 压 变 化 。 图 9 Load Transient Response of High-Speed LDO (XC6209B302) 此 外 ， 负 载 瞬 态 响 应 得 到 日 新 月 异 的 改 善 。 从 图 10 中 对 高 速 型 的 XC6221 和 低 消 耗 电 流 型 的 XC6219 负 载 瞬 态 响 应 进 行 的 比 较 可 以 明 确 ， 与 XC6219 的 电 压 下 降 大 致 为 220mV 相 比 ， XC6221 的 电 压 降 为 120mV， 大 约 改 善 了 50%。 各 个 型 号 都 是 采 用 SOT-25 封 装 的 IC， 虽 然 各 自 的 P 沟 道 MOS 晶 体 管 的 体 积 不 变 ， 但 可 观 测 到 波 形 明 显 不 同 。 图 10 Ripple Rejection Rate: Actual Input Voltage and Output Voltage Waveform （ IOUT=30mA） XC6221A282 XC6219A282 VIN=3.8V Cin=1F Ceramic Cap. CL=1F Ceramic Cap. CMOS 工 艺 中 使 用 的 硅 底 盘 备 有 P 型 和 N 型 2 种 类 型 。 一 般 来 说 ， P 型 硅 电 路 板 可 以 提 高 输 入 瞬 态 响 应 时 或 纹 波 抑 制 率 的 特 性 。 这 是 因 为 P 型 硅 电 路 板 中 ， 硅 电 路 板 的 VSS 接 地 ， 硅 电 路 板 上 形 成 的 电 路 具 有 不 易 受 电 源 影 响 的 结 构 。 图 11 表 示 在 P 型 硅 片 上 形 成 的 反 转 器 电 路 。 特 别 是 IC 内 部 的 基 准 电 源 等 ， 有 利 用 这 种 结 构 特 性 制 造 的 不 易 受 来 自 外 部 噪 声 影 响 的 产 品 。 现 在 ， 几 乎 所 有 的 型 号 都 采 用 了 P 型 电 路 板 。 图 11 Inverter Formed on P-Silicon Substrate 虽 然 最 近 的 LDO 产 品 具 有 非 常 高 速 的 瞬 态 响 应 及 良 好 的 负 载 瞬 态 变 动 的 追 随 性 ， 但 由 于 响 应 过 快 ， 在 电 源 线 路 中 连 接 器 的 连 接 部 位 、 布 线 的 盘 绕 等 处 引 起 阻 抗 的 情 况 下 ， 电 源 线 路 将 受 到 干 扰 。 不 仅 不 能 充 分 发 挥 高 速 调 整 器 的 性 能 ， 而 且 还 会 影 响 其 他 线 性 调 整 器 的 输 出 。 为 了 不 引 起 电 源 线 路 上 产 生 阻 抗 ， 须 特 别 注 意 PC 电 路 板 上 布 线 的 盘 绕 方 式 输 出 噪 声 特 性 输 出 电 压 的 噪 声