一种高增益快速响应且无片外电容型LDO设计*

胡玉松，冯全源

(西南交通大学微电子研究所，成都610031)

HU Yusong，FENGQuanyuan*

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

目前完全集成的片上电源管理系统广泛运用于各类消费电子设备上，对大规模集成电路设计提出更高的挑战。LDO作为电源管理芯片核心部件之一，要求其尺寸小、瞬态响应快、稳定性高等特点。为便于集成、降低成本、提高瞬态响应时间，无片外电容LDO结构设计是目前主要的趋势。无片外电容LDO结构目前面临的主要问题是负载大幅变化引起大的下冲和过冲，因而对瞬态响应速度、环路带宽、环路增益、环路补偿技术［1］提出非常高的要求。环路带宽BWL和调整管栅级摆率SRG决定LDO的瞬态响应速度。近几年，许多研究针对无片外电容LDO提出了一些架构［2］，提高了电源效率以及改善了瞬态响应速度。其中通过更改误差放大器结构，提高其对调整管栅极充放电能力，以及运用电容耦合效应加快瞬态响应是目前最主要的两种方式。

为提高瞬态响应，减小频率补偿电容，本文基于文献［3－4］提出了一种低电容补偿、具有快速瞬态响应能力的LDO结构。

1 本文提出的LDO架构

图1是典型的LDO负载电流突变的瞬态响应曲线。负载电流突变引起的下冲与过冲会可能会影响后面数字逻辑的误触发，更高的过冲还可能击穿负载电路的器件。因此，瞬态响应能力是LDO关键特性之一，需把下冲与过冲降到最低。LDO应对电流突变的瞬态响应能力由两个部分决定:初始反映时间t1、t3，稳定时间t2、t4。t1是误差放大器带宽WB、SR电流ISR以及dV的函数。t1的值由下试给出:

WB是 LDO闭环带宽，ISR为驱动寄生电容Cparasite的充电电流。t3与t1类似。从上式可以看出为减小t1，t3，LDO系统需要有一个大的带宽和大的摆率电流。

图1 负载电流突变时的瞬态响应曲线

1．1 本文的ERR AMP结构

为了获得高的低频增益，输出电阻需要比较大，如果用折叠式共源共栅结构虽电源抑制比(PSRR)极高［6］，但会限制输出电压摆幅。采用多级运放会增加极点，使系统不稳定。通过减小输出电流来加大输出电阻，对于传统LDO来说也会相应减小跨导Gm，最终导致总的增益不变。更重要的是减小了输出电流，也减小了驱动寄生电容Cparasite的充放电能力，从而直接影响到摆率SR提高，故此方法不能采用。文献［3］提出的架构，在增加直流增益并同时增加了一路额外控制电路在瞬态期间来加大输出电流，提高摆幅的同时增加了跨导与输出电阻，提高了增益。

1．2 SR瞬态增强电路

SR瞬态增强电路一般由两部分构成，一是瞬态变化检测电路，二是将检测信号转换为电流对SR瞬态进行补偿。在负载电流变化的瞬间，误差放大器的VP、VM点的电位会相应快速的变化，这个可作以为瞬态变化检测电路的监测点。一种常用的检测电路如图3，通过设置PMOS与NMOS的宽长比，可以让电路在稳态时输出为接近电源电压和地电压，在变化瞬间会输出一个正向或者负向脉冲。但是检测电路输出信号驱动能力和摆幅有限，为此可以加一级放大器，这里选择了一级反相器，经过反相器其信号可以得到放大，摆幅可以接近电源电压，将缓慢变化的信号转换为快速的信号，驱动能力加强。输出信号如图4所示。

对电路瞬态进行补偿，需要将检测电路的输出信号转换为电流或者电压信号，对LDO的调整管进行补偿。目前大部分研究都集中于在误差放大器与调整管之间加入电路，加强瞬态响应。常见的是通运放电路见图2的OTA部分。在静态工作时，M2管部分电流流过M10，镜像到M6的电流就相对少了，输出电流减小，输出阻抗提高，同时对Gm没影响，输出增益提高。在瞬态期间，M11－M14可以检测输入压差，控制 M9、M10电流大小，当 M2增加Gm2Vin/2，通过 M11控制 M10减少 Gm10VinC/2D。这样，M4上电流变化量为Gm2Vin/2+Gm10VinC/2D，反之亦然，驱动寄生电容Cparasite能力加强，提高了瞬态响应能力。OTA总的跨导为:

半边支路静态电流为It/2=B+C+D，这里B、C、D代表每路电流，It为尾电流(M0管流过的电流)。故Io为:

输出电阻为:

从上式可以看出电流相对普通AB类OTA运放输出电阻(2B/(A(λ6‖λ8)It))增加(C+D)/A倍，见式(3)，输出电阻大大增加。过增加一路电流通路对PMOS调整管直接充放电，加快PMOS的调整速度，达到减小下冲和过冲的目的。文献［4］提出了一种偏置电流增强电路，可以将检测电压信号转换为电流信号，再通过偏置电路增加偏置电流，加快对调整管的寄生电容充放电，提高瞬态响应。

本文采用固定偏置与偏置加强电路相结合的结构见图2的运放部分。固定偏置在稳态期间可以提供稳定的电流，RC电路只有在电压变化的时候才产生脉冲电压，导通与关断MOS管，故偏置电流加强电路只有在瞬态期间才启动，提供更高的电流，而在稳态期间，基本不导通，静电流仅为20 nA，可忽略不计，极大的降低了静态期间的功耗。本文分别用PMOS、NMOS作为开关。检测信号通过反相器，输出信号摆幅接近电源电压，通过RC电路后，可以将PMOS与NMOS偏置在饱和区，电流补偿能力加强，可以有效降低下冲与过冲。

1．3 LDO的环路分析

图2 带瞬态增强电路的无片外电容型LDO

图3 瞬态检测电路

图4 检测电路输出信号

LDO的环路结构如图5，小信号模型如图6所示。补偿电容C1为2 pF，R1为600Ω，在PMOS调整管的栅极形成了整个系统的主极点。SR增强电路在运放输出端经过一级放大后反馈到输入端，故对整个系统的极点不构成影响，gmf为SR增强电路跨导。运放中包含两个二极管连接的MOS管M13、M14，会贡献一个极点。然而，M13、M14漏极小信号电阻比较小，这个极点会出现在很高的频率处，故可以忽略其对整个系统的稳定性的影响。

整个环路的传递函数表示如下:

图5 LDO环路结构

图6 LDO小信号分析

2 仿真结果

本文的LDO基于0．5μm的工艺进行设计，并用HSPICE软件进行仿真验证。共模输入范围为1 V ～3 V，输入电压 VIN为3．0 V ～6 V，基准电压为1．2 V，输出 Vout为 2．4 V，负载电流 Iload变化范围为1 mA ～100 mA。

图7是PSRR仿真结果，低频为65 dB，满足要求。图8给出了频率特性仿真结果，负载电流为20 mA，低频增益为84 dB，增益大大提高，而且频率特性也很好，带宽也得到提高，3 dB带宽为4 068 Hz。

图7 LDO PSRR仿真曲线

图8 LDO增益与相位曲线

图9给出了负载瞬态响应仿真结果，包含了case0、case1、case3，其中 case1 与 case3 是两种极端工艺角情况，case0是typical工艺角。负载电流在15μs处经过1μs从1 mA～100 mA变化，经过响应时间，输出稳定。经过10μs，在40μs处负载电流又经过1μs从100 mA～1 mA变化，经过调整，最终达到稳定输出。表1中给出了3个工艺角(tt是typical工艺角，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是两种极端情况)下的各项指标值，其中响应时间是从负载变化到输出稳定整个时间，Vdropout是负载为1 mA与100 mA时输出电压差值。

图9 LDO在3种工艺条件下的负载瞬态响应曲线

从表中可以看出，在3种工艺角下，负载响应均比较理想，瞬态增强电路与快速响应运放发挥了很好效果，满足设计要求。

表1 3种工艺条件下瞬态响应参数

表2是本文得到的结果与参考文献对比情况。可见本文负载瞬态响应下冲与过冲均比较理想，瞬态增强电路与快速响应OTA电路共同发挥作用，达到比较理想的结果，极大的提高了LDO的稳定性。

表2 与参考文献的性能对比

图10是温度特性曲线。温度从－40°～125°变化，在20 mA 负载电流下，case0、case1、case3(如上文所提分别代表tt、ff、ss工艺脚本)之Vout变化分别为2．13 mV、2．19 mV、2．18 mV，LDO 输出电压随温度变化小，温度特性好。

图10 LDO在3种工艺条件下的温度特性曲线

3 结束语

本文提出的LDO结构，具有快速的瞬态响应，在整个补偿电容只有4 pF的情况下，下冲与过冲分别为82 mV、89 mV，极大的降低了过冲与下冲，提高LDO的负载响应能力，减小了芯片面积。在两种极端工艺角下，下冲最大不超过96 mV，过冲最大不超过108 mV，满足设计要求。在静态工作时，静态功耗为50μA，负载响应时间最大仅为1．3μs，带宽高，增益大。

［1］ 郭鹏，沈相国．LDO的三种频率补偿方案实现［J］．电子器件，2006，29(3):706 －709．

［2］ 唐宇，冯全源．一种适用于高压电源管理的无输出电容自基准低压差线性稳压器［J］．电子器件，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，吴震，邓朝勇．一种无片外电容LDO的瞬态增强电路设计［J］．电子设计工程，2013，21(4):14 －18．

［5］ 蹇俊杰，冯全源．采用增强型AB跟随器的快速响应LDO［J］．微电子学，2012，42(1):76 －79．

［6］ 孙毛毛，冯全源．LDO线性稳压器中高性能误差放大器的设计［J］．微电子学，2006，136(l1):108－110．

［7］ 李江昆，杨汝辉，杨康，等．一种带瞬态增强电路的无电容型LDO［J］．微电子学，2012，42(1):54 －57．

［8］ 杨洁，曾云．一种快速瞬态响应的无片外电容LDO的设计［J］．微电子学与计算机，2012，29(8):123－126．

［9］ 胡佳俊，陈后鹏，金荣，等．一种瞬态响应增强的片上LDO系统设计［J］．微电子学，2012，42(3):1 －4．

［10］崔传荣，巩文超，王忆，等．低功耗无片外电容的低压差线性稳压器［J］．浙江大学学报(工学版)，2009，43(11):2006－2011．

［11］李旭，蔡敏．无片外电容LDO稳压器设计［D］．华南理工大学，2013．