一种新型线性调节器的鲁棒性频率补偿设计
摘 要：本文在对线性调节器应用电路和外接电容特性进行分析的基础上，研究了线性调节器的鲁棒性设计，提出了一种不用电容的新型鲁棒性频率补偿方法，大幅降低了芯片面积。频率响应和瞬态响应的仿真结果表明，该方法保证了线性调节器的稳定性，也明显改善了频率响应特性。
关键词：线性调节器；鲁棒性；频率补偿
引言
要成功设计线性调节器，不仅要考虑其内部电路的设计，还必须考虑外围的应用电路设计。因此，IC设计工程师须从PCB电路设计工程师的角度出发，考虑他们在选择线性调节器时所关心的参数。传统的线性调节器应用电路中需要外接输出电容来保持电路的稳定性。如果希望PCB电路设计工程师在不关心线性调节器的内部电路的情况下，能够根据自己的需要，随意接入外部电容或不接时，都不会影响线性调节器的稳定性，那么就要求线性调节器的设计具备较好的鲁棒性。
图1负电源NPN线性调节器
图2 密勒补偿电路
图3频率补偿设计新架构
图4 轻负载时的稳定性仿真
图5 重负载时的稳定性仿真
图6瞬态特性仿真
采用传统补偿方法的负电源
线性调节器的零极点分析
采用外部补偿电路的零极点分析
负电源NPN达林顿型的线性调节器如图1所示。其中，Co为输出电容，Cb为旁路电容，Cpar为误差放大器和功率调整管之间的寄生电容，ESR为Co的寄生串联电阻，Roa为误差放大器的输出等效电阻。Rpass为输出级的输出等效电阻。电路零极点可以分析如下：
从式中可以看出，第一极点P1由Co和Ro决定，第二极点P2由Cpar和Roa决定，第三极点P3由Cb和Resr决定。系统的零点Z1是由Co和其ESR决定的，而ESR会随着制造工艺、温度、电压和频率的影响而变化，一般在50m~5W之间。
为了保证系统的稳定性，要选择合适的Co，使Z1和P2相消去，并使P3对应的频率下降到0dB。进一步考虑，Ro还会随着负载的变化而变化，从而影响极点的位置。而且ESR的提高会造成很危险的情况，单位增益带宽会变宽，使高频极点对系统稳定性产生不良影响。
采用密勒补偿电路的零极点分析
为确保系统稳定性，电容的选择成为一个关键的问题。PCB电路设计工程师应该了解电容类型和大小，以确保选择合适的补偿电容，否则可能发生电路不稳定的情况。
通常对于Co而言，PCB电路设计工程师可以选择三种外接电容：铝电解电容、陶瓷电容和钽电容。在室温下，铝电解电容的ESR有一个稳定的值，但是当温度变低时，ESR变化剧烈，呈指数上升。典型的2.2~
因此，以前经典的靠Co的ESR来补偿的方式需要改变。
但是，如果不靠Co的ESR产生的零点来进行电路的补偿，则系统将会有两个低频极点，必然导致系统的不稳定，其极点表示如下：
因而，必须考虑内部补偿的问题。传统密勒补偿方法的电路结构如图2所示。
如果只用补偿电容Ccom进行密勒补偿，将会产生一个RHP零点。RHP零点将会产生两个不稳定的因素：它会像LHP极点一样提高相移，同时又会像LHP零点一样提高增益幅度，限制增益带宽。如果采用双极型工艺，则RHP零点将不会对系统有严重影响，而对于CMOS工艺，则要仔细考虑该问题。简单地，可以串入一个电阻Rcom，来消除RHP零点。
虽然这种补偿结构可以达到设计的目的，但是补偿电容Ccom会使芯片的面积变大，单片的制造成本上升。
鲁棒性频率补偿设计
新架构及仿真
新架构零极点分析
下面提出的电路架构可以在不采用电容的情况下达到补偿的目的，使电路稳定，如图3所示。
通过改变P2，将其推向高频，使其频率大于单位增益带宽频率，可以确保电路的稳定性。
将图中的A点和B点连接起来，可形成一个新的负反馈回路。其中Qb起电平转移作用，同时可以通过调节Qb的发射极面积的大小来控制此回路电流。如果此支路中电流变大，则稳定性增强，但调节电路的精度降低，反之亦然。
这样，由图可知P1不会受影响，而对于P2，由于Q1和Q3的输出电阻r01和r03较大，所以有
其中rp为Qp的输入电阻，由于B点电位被钳制，成为交流地，则有，即Roa降低，P2被推向高频，使系统稳定性变好。
另外，由于，gmp为输出级的跨导，因此可知Io越大，则rp越小。又R3较小，所以，当Io较大时，即重负载时，此方法对极点的影响应该越明显。
仿真结果
及分析
本文采用美国某著名公司成熟且精确的双极工艺模型库，在相应的专用SPICE环境中，分别对电路进行了轻负载时的稳定性、重负载时的稳定性和瞬态特性的仿真。
当输出电流等于1mA，即轻负载时，环路增益及相位裕度仿真如图4所示。从仿真结果可以看出其相位裕度为58Ｖち讼低澄榷ā£
当输出电流等于100mA，即重负载时，环路增益及相位裕度仿真如图5所示。从仿真结果可以看出其相位裕度为73Ｖち讼低澄榷āＫ淙皇涑龅缌鞯谋浠筆1产生了较大的移动，但是没有影响系统的稳定性。
因为ESR将在负载电流瞬态变化时产生压降，所以外接一个ESR几乎为零的陶瓷电容，可使电路的瞬态特性得到改善。另外，新的环路的产生也使调节器能够更快地响应负载电流的瞬态变化。图6为瞬态特性仿真图。
结语
本文提出的电路具备四个优点：
⑴PCB电路设计工程师无须考虑IC内部的电路结构，不需要采用Co+ESR补偿的方式，而且不用考虑Cb的ESR受制造工艺、温度、电压和频率的影响，就可以确保电路稳定，即鲁棒性；
⑵由于外部不需外接Co，缩小了PCB板的面积；
⑶采用ESR较低的陶瓷电容做外接电容，而且内部产生了新的响应环路，改善了瞬态特性；
⑷内部电路结构去掉了补偿电容，满足了稳定性要求，同时使芯片面积大大减小。
但是，该电路在具备这些优点的同时，电路增益有下降的趋势，这将会影响电路的精确度，所以需要综合考虑电路设计的需求。同时，可以做进一步研究，在电路结构上进行改进，全面提高电路的性能。■
参考文献
1 Gray P R, Hurst P J, Lewis S H, etal. Analysis And Design Of Analog Integrated Circuit (Fourth Edition) [M]. New York：John Wiley & Sons . Inc，2001.
2 Grebene Alan B. Bipolar And MOS Analog Integrated Circuit design [M]. New York ：John Wiley & Sons Inc ,1984.
3 艾伦 P E, 霍尔伯格 D R. CMOS 模拟电路设计(第二版)[M]. 北京：电子工业出版社, 2002.