一种高速高稳定性片上LDO设计

一种高速高稳定性片上LDO设计

卢星，赵春胜，张国俊

(电子科技大学薄膜与器件国家重点实验室, 成都 610054)

摘要：为了提高LDO的稳定性和瞬态响应特性，本文设计了一种新型的带缓冲电路结构和反馈补偿网络的LDO，具有低功耗、高稳定性和高速瞬态响应的特点。基于上化的0.5μm BCD工艺，用Spectre仿真工具进行仿真，输入电压8v至30v动态变化时，能提供5.25v稳定输出。通过改变负载电容，该LDO可以支持峰值为50mA的电流负载，仿真结果表明，该LDO线性稳压器以上指标都很优异。

关键词：瞬态响应；低功耗；稳定性；

中图分类号：TN433 文献标识码：A文章编号：

A on-chip LDO design with fast transient and high stability

Abstract:In order to improve LDO stability and transient response characteristics, this paper presents a new design with a buffer circuit LDO structure and feedback compensation network. It has low power consumption, high stability and fast-speed transient response characteristics. Results from simulation based on CSMC 0.5μm BCD process shows that when the input voltage dynami c changes it can provides 5.25v stable output value. By changing the load capacitance, the LDO can support a peak current of 50mA load. From the simulation , wo also know that the LDO linear regulator indicators are excellent.

Key words:transient response; low power consumption; stability

1引言

在信息时代高速发展的今天，越来越多的高科技电子产品在我们的日常生活中发挥了重要作用，电子产品的正常工作，尤其是在低功耗便携式电子产品领域，离不开稳定工作电压的电源管理设备——稳压器，稳压器用于提供一种不随负载阻抗、输入电压、温度和时间变化的稳定电源电压。LDO低压差线性稳压器因其能够在电源电压与负载电压之间保持微小压差而著称。LDO是电源管理模块的重要组成部分，得到了广泛的应用。当前，LDO已经实现了100mv-200mv的压差。

本文设计的LDO,相比于传统LDO具有更快的瞬态响应、更高的稳定性，采用工作在亚阈值MOS晶体管而不是多晶电阻作为反馈网络，具有低噪声、低静态电流和所占芯片面积小等优点[1]。

2传统LDO特性分析

传统LDO 拓扑结构如图1所示[2]，主要有误差放大器EA、调整管MP、电阻反馈网络R f1和R f2、输出电容C0、等效串联电阻R ESR、旁路电容C b、负载电阻R L组成。其中，因为旁路电容一般为高频电容，R ESR值很小，因此可以忽略它的R ESR电阻。

OUT

V ref

图1 传统LDO 拓扑结构

2.1 直流特性分析[3]

在LDO 中，通过将负反馈网络的电阻分压V FB 和输入误差放大器的基准电压V ref 进行比较，放大它们的差值来调整流过MP 管的电流，使流过R f1和R f2电流保持稳定，从而得到一个稳定的输出电压。电阻反馈网络R f1和R f2的特性对于调整管的静态电流、输出电压和噪声至关重要 。当R f1和R f2较大时，电阻的噪声会变大影响输出精度，同时占用的芯片面积增大；当R f1和R f2较小时，调整管的静态电流和功耗变大。

2.2 交流特性分析

图1所示电路图的交流小信号电路图如图2所示，得到开环增益为：

2

012

1ma oa mp o FB F v EA oa par F F g R g Z V R A V sR C R R =

=⨯

++

(1)

其中，g ma 和g mp 分别为误差放大器和调整管的跨导，Z O 是V OUT 端的等效输出阻抗，可表示为：

L b

O O ESR X O R sC sC C sR R Z //1

//1//+= (2)

其中，Rx 是从V OUT 端向稳压器内部看的阻抗，可表示为：

)

//(21F F DS X R R R R += (3)

R DS 为调整管的输出电阻。考虑到输出电容C o 通常比旁路电容C b 大，因此输出阻抗可以等效为：

[][]

b ESR DS O ESR DS O ESR DS O C R R s C R R s C sR R Z )//(1)(1)1(+⨯+++≈

(4)

由此可见，开环增益传输函数有三个极点和一个零点组成，它们分别表示如下：

DS

ESR R R O DS ESR O DS O P R R C R C ππ≈

≈>>+11

()

2()2 （5）

o a a par

P R C π≈

12 （6）

b DS

ESR b ESR b

P R R C R C ππ=

≈

11

2(//)2 （7）

ESR ESR O

Z R C π=

12 （8）

C O

R f1

R f2

V EA

R oa

C par R DS G V FB R ESR

C b

R L V

OUT

D S

g ma V EA g mp V G

图2 LDO 线性稳压器的小信号模型

其中，P O 是整个系统的主极点，它在较低频处；C par 是调整管的寄生电容，误差放大器通常采用共源共栅结构，所以它的输出阻抗R oa 通常会很大，这就容易产生和主极点P O 很接近的次主极点P a ，使系统不稳定；C b 是旁路电容，电容值比输出电容C O 和寄生电容C par 小得多，所以这个极点的频率较高，一般在单位增益频率(UGF)零点范围之外；零点Z ESR 的位置由输出电容和R ESR 决定。由于R ESR 阻值随工艺和温度变化很大，系统很容易出现欠补偿或过补偿的

情况[4]

，降低了系统稳定性。所以通过这种方法对系统极点进行频率补偿是不可靠的。 2.3 瞬态响应特性分析

图3为LDO 在负载电流突变时的瞬态响应时序图[4]

。负载瞬态响应公式为：

图3 传统LDO 对负载电流跃变的瞬态响应

sr par

CL CL sr

V

t t C BW BW I ∆∆≈

+=+111

（9）out out

I t V C ∆∆≈

max 1

,max

（10）

其中BW CL 是系统闭环带宽，C par 为调整管的栅极寄

生电容，t sr 和I sr 分别为传输管栅极驱动信号的压摆时间和栅驱动电流，ΔV out ，max 为输出电压最大变化值。由（9）和（10）式可知，提高系统的瞬态响应速度可以增加栅驱动电流I sr ，增大输出电容C out 可以提高输出精度，但是较大输出电容需要占用很大芯片面积，不利于片上LDO 的设计。