基于零极点追踪的高稳定性片内LDO电路设计

2017-06-27曹正州张旭东谢文虎

电子与封装 2017年6期

关键词：栅极环路零点

曹正州，江燕，张旭东,谢文虎

（1.中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072；2.无锡中微亿芯有限公司，江苏无锡 214072）

基于零极点追踪的高稳定性片内LDO电路设计

曹正州1，江燕1，张旭东2,谢文虎1

（1.中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072；2.无锡中微亿芯有限公司，江苏无锡 214072）

设计了一款无需片外电容的 LDO 电路，根据负载不断变化的问题，设计了零极点跟踪补偿电路，使产生的零点有效补偿电路的极点，保证了 LDO 环路的稳定性。基于 TSMC 0.18 μm Flash 工艺完成电路和版图的设计以及流片。电路仿真以及实测结果表明在无片外电容的情况下，环路的相位裕度能够达到 78.9°，达到高稳定的需求，最大负载电流能够达到 100 mA，负载调整率为 0.2 mV/mA。

零极点跟踪；低压差线性稳压器；环路稳定性；无片外电容

1 引言

电源电路作为供电模块，得到广泛的应用，更新换代也很快。低压差线性稳压器（LDO）作为电源电路的一种，因其具有体积小、结构简单、低噪声、输出纹波小等显著特点，在市场上得到广泛的应用。

LDO 作为典型的线性控制系统，环路稳定性一直是其设计的重点，尤其是其中的频率补偿。对于早期的低功耗、大负载电流的 LDO 芯片而言，已经形成了一套完整的频率补偿方案，其中以“用片外电容等效的串联电阻形成的 ESR 频率补偿方案”和“米勒补偿方案”为典型代表[1～2]。但是对于无片外负载电容 LDO芯片来说，传统的利用片外电容产生的等效串联电阻形成的频率补偿方案将不再适用，因为无片外电容LDO不再使用外部的大电容来进行频率补偿。对于无片外电容的 LDO 芯片来说，负载电流的不断变化以及负载电流的跳变范围较大等特点，都增加了频率补偿的难度。

本文提出了一种适合于无片外电容 LDO 芯片的零极点追踪频率补偿电路，该频率补偿能够适用于不同负载电流的 LDO 芯片，通过产生变化的零点来补偿负载电流变化产生的极点，因此被称作零极点追踪频率补偿。该 LDO 电路用在 Flash 配置芯片中，为两个 Flash IP 核提供 1.8 V 的稳定电压。

2 LDO电路设计

2.1 有片外电容的传统 ESR 频率补偿

图1 是传统带有 ESR 补偿的 LDO 电路结构[3]，输出负载电容 CL具有等效寄生电容 Resr，电路的等效小信号模型如图2 所示，其中 gm1、gm2、Ro1、Ro2、C1、C2分别是误差放大器的第一级和第二级的输出跨导、输出阻抗和寄生电容。电路的输出电压为：

断开反馈环路可以推导出环路的传输函数：

可以得到环路中的零极点：

由于调整管的输出电阻 ro远小于负载电阻，所以可以将（3）式等效成：

图1 传统 ESR 补偿的 LDO 整体结构图

从式（7）可知环路中的零极点随负载电流大小的变化而变化，带片外负载电容的 LDO 电路，通过选用带有不同大小的串联等效电阻的片外电容来补偿极点，对于没有片外电容的电路，必须选用其他的电路结构来实现频率补偿。

2.2 零极点追踪频率补偿

零点-极点追踪电路[4～5]如图2 所示，零极点追踪电路的核心就是一个串联的 PMOS管和电容，其中PMOS管的漏端与电容相连接，栅端与源端分别与调整管的栅端和源端相连接，因此 MZ管没有对地通路，使得 MZ管的漏源电压等于 0，这样就能够保证 MZ管工作在深线性区。所以MZ管的等效漏源电阻为：

从式（8）可以看出 MZ管的等效电阻和调整管的栅源电压的绝对值成反比。由于调整管工作在饱和区，调整管的电流可以表示输出电流大小，且输出电压大小固定，所以可以推导出输出负载电阻的大小 RL：

图2 零极点追踪补偿电路

从式（9）可以看出负载电阻 RL也与调整管的栅源电压的绝对值成反比，可以得到等效电路如图3所示。

图3 第二级放大器负载等效电路

在源跟随器和共源极放大器中，增益可以用电路跨导和负载阻抗的乘积来表示，第二级误差放大器的增益为：

从式（10）中可以得到一个零点两个极点，零点为：

利用产生的这个零点来补偿 LDO 的输出极点，即有：

但是由于 CL和 RL是随电路负载电流变化而变化的，补偿电路产生的零点不能完全等于负载电流变化LDO 电路产生的极点，但是可以尽量使得补偿电路产生的零点靠近LDO的输出极点。

2.3 电路实现

LDO 主体电路如图4 所示，图中未画出基准产生电路以及相关的保护电路。主体电路包括运算放大器、反馈分压电阻、调整管以及零极点追踪电路。采用单级的误差放大器，误差放大器的输出到源跟随器的栅极，源跟随器的输出驱动几部分，一是加到调整管的栅极，控制调整管的导通状态和控制流过调整管的电流大小；二是加到 P3管的栅极，使得 P3管的栅极电压等于调整管的栅极电压；P3管的漏极传输到 MZ管的栅极，MZ管没有形成对地的通路，所以 MZ管工作在深线性区，MZ管与 CZ形成了零极点追踪电路。

图4 LDO具体电路

当负载电流增大即流过 Mp管的电流增大时，等效负载电阻减小，输出极点较大，P3管采样的电流也增大，P3管的漏端电压增大，MZ管的栅极电压上升，所以 MZ管的等效电阻减小，补偿电路产生的零点增大，和LDO 输出极点近似相等；当负载电流减小时即流过 Mp管的电流减小时，等效负载电阻增大，输出极点较小，P3管采样的电流也减小，P3管的漏端电压减小，MZ管的栅极电压下降，所以 MZ管的等效电阻增大，补偿电路产生的零点减小，和 LDO 输出极点近似相等。

LDO 整体版图如图5所示，包括整个 LDO 电路和基准电路，模块划分如图5 所示，在进行 LDO 版图设计时主要考虑版图的匹配问题，因此可以看到误差放大器的输入对管都很对称。

图5 LDO整体版图

3 仿真结果

对本文设计的无片外电容且具有零极点追踪补偿的 LDO 电路进行 Hspice 仿真，得到 AC 仿真结果如图6所示，给出了轻负载和重负载两种情况的相频曲线，从图6中可以看出不管是在轻负载还是在重负载的情况下，在单位增益带宽积处，相位裕度为 78.9°和 65°，都大于 45°，所以 LDO 环路具有高稳定性。

图6 LDO环路的相频特性曲线

图7 给出了该 LDO 的瞬态响应曲线，将负载电流加到 100 mA，测量 LDO 输出变化，可以得到 LDO 的瞬态过冲为±52 mV，负载调整率为 0.17 mV/mA。

图8 为本 LDO 电路的实测负载瞬态响应波形，所加负载电流为 100 mA，测试结果表明在负载变化时，会有±60 mV 左右的过冲，负载调整率为 0.2 mV/mA。实测结果和仿真结果比较一致，达到了设计的要求。

图7 本文LDO的瞬态响应仿真波形

图8 负载瞬态响应实测波形

本文设计的采用零极点追踪频率补偿方式的LDO 与文献[1]、[2]提到的传统 ESR 与传统米勒频率补偿方式的 LDO 相比，仿真结果如表1，在环路稳定性方面有着明显的优势。

表1 仿真参数对比

4 结束语

设计了一款带有零极点追踪的 LDO 电路，能够根据负载电流的变化而调节零点的位置，有效地补偿次极点，使得环路稳定。基于 TSMC 0.18 μm Flash 工艺完成电路、版图设计。电路仿真和实测结果表明，不管在轻负载还是在重负载情况下，LDO 环路的相位裕度都能够达到 45°以上。该 LDO 最大负载电流为 100 mA，负载调整率的典型值为 0.2 mV/mA。

[1]G A Rincon-Mora,P E Allen.A low-voltage,low quiescent current,low drop-outregulator[J].IEEE Solid-State Circuits. 1998,33:36-44.

[2]Lai,X Q,Xie.A miller frequency compensation circuit for LDO regulator[J].Chinese Journal on Research&Progress of SSE.1998,25(8):380-385.

[3]GUO J P,LEUNG KN.A sub-1 μA improved transient CMOS low-dropout regulator without minimal ESR requirement[C].TENCON Singapore,2009:1-6.

[4]K C Kwok,P K T Mok.Pole-zero tracking frequency compensation for low dropout regulator[J].International symposium on circuitand system,2002,4:735-738.

[5]陈东坡，何乐年，严晓浪.一种低静态电流、高稳定性的LDO 线性稳压器[J].电子与信息学报，2006,28（8）：1526-1529.

Design of a Highly Stable Chip-in LDO Circuit Based on Pole-Zero Tracking Frequency Compensation

CAO Zhengzhou1,JIANG Yan1,ZHANG Xudong2,XIE Wenhu1
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China; 2.East Technologies,Inc,Wuxi 214072,China）

In the paper,a LDO circuitwithoutexternalcapacitoris designed.According to the constantchange of load,the zero-pole tracking compensation circuit is designed to make the zero effectively compensate the circuitpole and to ensure the stability ofthe LDO loop.Based on TSMC 0.18 μm flash process,the circuitand layout design and tape-out is completed.The circuit simulation and test results show that in the absence of externalcapacitorcase,the loop phase margin can reach 78.9°,which achieves high stability requirements.The maximum load currentcan reach 100 mA,and the load regulation rate is0.2 mV/mA.

pole-zero tracking;low dropoutregulator;loop gain stability;no off-chip capacitor