一種高增益快速響應且無片外電容型LDO設計*

胡玉松，馮全源

(西南交通大學微電子研究所，成都610031)

HU Yusong，FENGQuanyuan*

(Instituteof Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

目前完全集成的片上電源管理系統廣泛運用于各類消費電子設備上，對大規模集成電路設計提出更高的挑戰。LDO作為電源管理芯片核心部件之一，要求其尺寸小、瞬態響應快、穩定性高等特點。為便于集成、降低成本、提高瞬態響應時間，無片外電容LDO結構設計是目前主要的趨勢。無片外電容LDO結構目前面臨的主要問題是負載大幅變化引起大的下沖和過沖，因而對瞬態響應速度、環路帶寬、環路增益、環路補償技術［1］提出非常高的要求。環路帶寬BWL和調整管柵級擺率SRG決定LDO的瞬態響應速度。近幾年，許多研究針對無片外電容LDO提出了一些架構［2］，提高了電源效率以及改善了瞬態響應速度。其中通過更改誤差放大器結構，提高其對調整管柵極充放電能力，以及運用電容耦合效應加快瞬態響應是目前最主要的兩種方式。

為提高瞬態響應，減小頻率補償電容，本文基于文獻［3－4］提出了一種低電容補償、具有快速瞬態響應能力的LDO結構。

1 本文提出的LDO架構

圖1是典型的LDO負載電流突變的瞬態響應曲線。負載電流突變引起的下沖與過沖會可能會影響后面數字邏輯的誤觸發，更高的過沖還可能擊穿負載電路的器件。因此，瞬態響應能力是LDO關鍵特性之一，需把下沖與過沖降到最低。LDO應對電流突變的瞬態響應能力由兩個部分決定:初始反映時間t1、t3，穩定時間t2、t4。t1是誤差放大器帶寬WB、SR電流ISR以及dV的函數。t1的值由下試給出:

WB是 LDO閉環帶寬，ISR為驅動寄生電容Cparasite的充電電流。t3與t1類似。從上式可以看出為減小t1，t3，LDO系統需要有一個大的帶寬和大的擺率電流。

圖1 負載電流突變時的瞬態響應曲線

1．1 本文的ERR AMP結構

為了獲得高的低頻增益，輸出電阻需要比較大，如果用折疊式共源共柵結構雖電源抑制比(PSRR)極高［6］，但會限制輸出電壓擺幅。采用多級運放會增加極點，使系統不穩定。通過減小輸出電流來加大輸出電阻，對于傳統LDO來說也會相應減小跨導Gm，最終導致總的增益不變。更重要的是減小了輸出電流，也減小了驅動寄生電容Cparasite的充放電能力，從而直接影響到擺率SR提高，故此方法不能采用。文獻［3］提出的架構，在增加直流增益并同時增加了一路額外控制電路在瞬態期間來加大輸出電流，提高擺幅的同時增加了跨導與輸出電阻，提高了增益。

1．2 SR瞬態增強電路

SR瞬態增強電路一般由兩部分構成，一是瞬態變化檢測電路，二是將檢測信號轉換為電流對SR瞬態進行補償。在負載電流變化的瞬間，誤差放大器的VP、VM點的電位會相應快速的變化，這個可作以為瞬態變化檢測電路的監測點。一種常用的檢測電路如圖3，通過設置PMOS與NMOS的寬長比，可以讓電路在穩態時輸出為接近電源電壓和地電壓，在變化瞬間會輸出一個正向或者負向脈沖。但是檢測電路輸出信號驅動能力和擺幅有限，為此可以加一級放大器，這里選擇了一級反相器，經過反相器其信號可以得到放大，擺幅可以接近電源電壓，將緩慢變化的信號轉換為快速的信號，驅動能力加強。輸出信號如圖4所示。

對電路瞬態進行補償，需要將檢測電路的輸出信號轉換為電流或者電壓信號，對LDO的調整管進行補償。目前大部分研究都集中于在誤差放大器與調整管之間加入電路，加強瞬態響應。常見的是通運放電路見圖2的OTA部分。在靜態工作時，M2管部分電流流過M10，鏡像到M6的電流就相對少了，輸出電流減小，輸出阻抗提高，同時對Gm沒影響，輸出增益提高。在瞬態期間，M11－M14可以檢測輸入壓差，控制 M9、M10電流大小，當 M2增加Gm2Vin/2，通過 M11控制 M10減少 Gm10VinC/2D。這樣，M4上電流變化量為Gm2Vin/2+Gm10VinC/2D，反之亦然，驅動寄生電容Cparasite能力加強，提高了瞬態響應能力。OTA總的跨導為:

半邊支路靜態電流為It/2=B+C+D，這里B、C、D代表每路電流，It為尾電流(M0管流過的電流)。故Io為:

輸出電阻為:

從上式可以看出電流相對普通AB類OTA運放輸出電阻(2B/(A(λ6‖λ8)It))增加(C+D)/A倍，見式(3)，輸出電阻大大增加。過增加一路電流通路對PMOS調整管直接充放電，加快PMOS的調整速度，達到減小下沖和過沖的目的。文獻［4］提出了一種偏置電流增強電路，可以將檢測電壓信號轉換為電流信號，再通過偏置電路增加偏置電流，加快對調整管的寄生電容充放電，提高瞬態響應。

本文采用固定偏置與偏置加強電路相結合的結構見圖2的運放部分。固定偏置在穩態期間可以提供穩定的電流，RC電路只有在電壓變化的時候才產生脈沖電壓，導通與關斷MOS管，故偏置電流加強電路只有在瞬態期間才啟動，提供更高的電流，而在穩態期間，基本不導通，靜電流僅為20 nA，可忽略不計，極大的降低了靜態期間的功耗。本文分別用PMOS、NMOS作為開關。檢測信號通過反相器，輸出信號擺幅接近電源電壓，通過RC電路后，可以將PMOS與NMOS偏置在飽和區，電流補償能力加強，可以有效降低下沖與過沖。

1．3 LDO的環路分析

圖2 帶瞬態增強電路的無片外電容型LDO

圖3 瞬態檢測電路

圖4 檢測電路輸出信號

LDO的環路結構如圖5，小信號模型如圖6所示。補償電容C1為2 pF，R1為600Ω，在PMOS調整管的柵極形成了整個系統的主極點。SR增強電路在運放輸出端經過一級放大后反饋到輸入端，故對整個系統的極點不構成影響，gmf為SR增強電路跨導。運放中包含兩個二極管連接的MOS管M13、M14，會貢獻一個極點。然而，M13、M14漏極小信號電阻比較小，這個極點會出現在很高的頻率處，故可以忽略其對整個系統的穩定性的影響。

整個環路的傳遞函數表示如下:

圖5 LDO環路結構

圖6 LDO小信號分析

2 仿真結果

本文的LDO基于0．5μm的工藝進行設計，并用HSPICE軟件進行仿真驗證。共模輸入范圍為1 V ～3 V，輸入電壓 VIN為3．0 V ～6 V，基準電壓為1．2 V，輸出 Vout為 2．4 V，負載電流 Iload變化范圍為1 mA ～100 mA。

圖7是PSRR仿真結果，低頻為65 dB，滿足要求。圖8給出了頻率特性仿真結果，負載電流為20 mA，低頻增益為84 dB，增益大大提高，而且頻率特性也很好，帶寬也得到提高，3 dB帶寬為4 068 Hz。

圖7 LDO PSRR仿真曲線

圖8 LDO增益與相位曲線

圖9給出了負載瞬態響應仿真結果，包含了case0、case1、case3，其中 case1 與 case3 是兩種極端工藝角情況，case0是typical工藝角。負載電流在15μs處經過1μs從1 mA～100 mA變化，經過響應時間，輸出穩定。經過10μs，在40μs處負載電流又經過1μs從100 mA～1 mA變化，經過調整，最終達到穩定輸出。表1中給出了3個工藝角(tt是typical工藝角，ff是所有器件上拉下拉都很快，ss是所有器件上拉下拉都很慢，tt、ff是兩種極端情況)下的各項指標值，其中響應時間是從負載變化到輸出穩定整個時間，Vdropout是負載為1 mA與100 mA時輸出電壓差值。

圖9 LDO在3種工藝條件下的負載瞬態響應曲線

從表中可以看出，在3種工藝角下，負載響應均比較理想，瞬態增強電路與快速響應運放發揮了很好效果，滿足設計要求。

表1 3種工藝條件下瞬態響應參數

表2是本文得到的結果與參考文獻對比情況?？梢姳疚呢撦d瞬態響應下沖與過沖均比較理想，瞬態增強電路與快速響應OTA電路共同發揮作用，達到比較理想的結果，極大的提高了LDO的穩定性。

表2 與參考文獻的性能對比

圖10是溫度特性曲線。溫度從－40°～125°變化，在20 mA 負載電流下，case0、case1、case3(如上文所提分別代表tt、ff、ss工藝腳本)之Vout變化分別為2．13 mV、2．19 mV、2．18 mV，LDO 輸出電壓隨溫度變化小，溫度特性好。

圖10 LDO在3種工藝條件下的溫度特性曲線

3 結束語

本文提出的LDO結構，具有快速的瞬態響應，在整個補償電容只有4 pF的情況下，下沖與過沖分別為82 mV、89 mV，極大的降低了過沖與下沖，提高LDO的負載響應能力，減小了芯片面積。在兩種極端工藝角下，下沖最大不超過96 mV，過沖最大不超過108 mV，滿足設計要求。在靜態工作時，靜態功耗為50μA，負載響應時間最大僅為1．3μs，帶寬高，增益大。

［1］ 郭鵬，沈相國．LDO的三種頻率補償方案實現［J］．電子器件，2006，29(3):706 －709．

［2］ 唐宇，馮全源．一種適用于高壓電源管理的無輸出電容自基準低壓差線性穩壓器［J］．電子器件，2014，37(1):26－29．

［3］ Roh J．High-Gain Class-AB OTA With Low Quiescent Current［J］．Analog Integr Circuits Signal Process，2006，47(2):225－228．

［4］ 王常，吳震，鄧朝勇．一種無片外電容LDO的瞬態增強電路設計［J］．電子設計工程，2013，21(4):14 －18．

［5］ 蹇俊杰，馮全源．采用增強型AB跟隨器的快速響應LDO［J］．微電子學，2012，42(1):76 －79．

［6］ 孫毛毛，馮全源．LDO線性穩壓器中高性能誤差放大器的設計［J］．微電子學，2006，136(l1):108－110．

［7］ 李江昆，楊汝輝，楊康，等．一種帶瞬態增強電路的無電容型LDO［J］．微電子學，2012，42(1):54 －57．

［8］ 楊潔，曾云．一種快速瞬態響應的無片外電容LDO的設計［J］．微電子學與計算機，2012，29(8):123－126．

［9］ 胡佳俊，陳后鵬，金榮，等．一種瞬態響應增強的片上LDO系統設計［J］．微電子學，2012，42(3):1 －4．

［10］崔傳榮，鞏文超，王憶，等．低功耗無片外電容的低壓差線性穩壓器［J］．浙江大學學報(工學版)，2009，43(11):2006－2011．

［11］李旭，蔡敏．無片外電容LDO穩壓器設計［D］．華南理工大學，2013．