电压调整器相关基础知识(2/4)

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。

[Table 3] General Characteristics of CMOS Regulators by Types
Type Low Supply
Current
High
Voltage
Super High
Speed
GO Nch Large Current Unit
XC6504 XC6216 XC6223 XC6220 XC6602 XC6230
Input Voltage Range 1.4~6 2~28 1.6~5.5 1.6~6 0.5~3 1.7~6 V
Output Voltage Range 1.1~5.0 2.0~23 2.0~4.0 0.8~5 0.5~1.8 1.2~5 V
Output Voltage Accuracy ±1 ±1 ±1 ±1 ±20mV ±1 %
Max Output Current 150 150 300 1000 1000 2000 mA
Dropout Voltage 330@0.1 300@0.02 270@0.3 60@0.3 15@0.1 170@1 mV@A
Supply Current 0.6 5 100 8(PS mode)
50(HS mode)
6.5(IIN)
100(IBIAS)
45 μA
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
PSRR@1 kHz 30 30 80 55 75VIN)
60(VBIAS)
70 dB

表3表示CMOS调整器的一般性电气特性。

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=20×Log(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μ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=1µF Ceramic Cap.
CL=1µF 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

输出电压的噪声包括由IC内部预先调整输出电压用电阻所产生的热噪声被误差放大器放大而输出的白噪声。因为(IC内部预先调整输出电压用的)阻抗高时更容易形成热噪声,备有(IC内部)把消耗电流调整为70μA的超高速/低噪声CMOS调整器。图12表示其噪声特性。

图12 Output Noise Density (XC6204B302)

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