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 stabilityAbstract: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; stability1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。

OUTV 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：20121ma 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 bO 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：DSESR R R O DS ESR O DS O P R R C R C ππ≈≈>>+11()2()2 （5）o a a parP R C π≈12 （6）b DSESR b ESR bP R R C R C ππ=≈112(//)2 （7）ESR ESR OZ R C π=12 （8）C OR f1R f2V EAR oaC par R DS G V FB R ESRC bR L VOUTD Sg 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 parCL CL srVt t C BW BW I ∆∆≈+=+111（9）out outI 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。

3本文提出的新型LDO 的设计和分析在以上分析传统LDO 性能的基础上，本文提出了一种带缓冲级的新型电路结构LDO 稳压器，具有快速瞬态响应和高稳定性，电路拓扑图如图4所示：V图4 本文提出的LDO 拓扑图本文提出的LDO 系统由误差放大器、缓冲器、PMOS 调整管、反馈电阻和电容组成，其中反馈电阻R F1、R F2是由数个二极管连接的MOS 管的串联。

与多晶电阻相比，在提供同等大小阻值的条件下，具有更低的噪声和更好的温度特性，在输出空载的情况下，相比于电阻反馈网络，有更低的静态电流，降低了功耗，提高系统效率[5]。

同时采用有源器件作为电阻可以节约芯片面积，利于片上LDO 的设计。

采用缓冲器将误差放大器输出级的高输出阻抗与调整管的高寄生电容隔离开来，通过减小误差放大器的带宽来获得更高的稳定性。

由于该负反馈系统稳定且开环增益远大于1，则输出电压V OUT 可近似为：122F F OUT REF F R R V V R +=⨯（11）其中，V REF 为基准电压源输出的精确参考电压，R F1、R F2反馈网路电阻值。

因此适当选取采样电阻阻值就可以得到所需的输出电压，但该结构也决定了LDO 的输出电压一定小于输入电压，只能用于降压转换，且转换效率可表示为：%100)(⨯+=INQ O OUTO V I I V I η（12）其中，I O 为负载电流，I Q 为系统工作所需要消耗的静态电流。

稳压器正常工作时，静态电流相比负载电流非常小，此时可忽略I Q ，则上式可写为：%100)(%100⨯-+=⨯=OUT IN OUT OUTIN O OUT O V V V V V I V I η（13）由上式可以看出，在输出电压一定时，不论负载电流如何，输入输出压差是效率的一个本质因素。

因此除了小的静态电流，减小输入输出压差也可以获得高效率。

折叠式误差放大器缓冲电路反馈网络V IN输出负载图5 LDO 完整电路图完整电路图如图5所示，整个系统工作过程为：当系统上电后，电路开始启动，基准电压源电压快速建立，为误差放大器负相端提供一个具有高精确度和良好热稳定性的基准电压V ref 。

当负载或输出电流发生变化时，通过采样电阻R F1、R F2得到一个输出反馈电压V F ，V F 连接到放大器的同相端，与连接在放大器负相端的基准电压V ref 进行比较，将误差信号放大后控制射极跟随器，最终改变调整管的输出电流值，从而形成负反馈，保证输出电压V OUT 稳定在规定电压值上。

3.1 瞬态响应分析：在系统稳定工作后，由于负载变化，误差放大器正相端产生一个Δv in 压差信号，此时在节点1处的电压变化为Δv 1，111m o inv g r v ∆=∆（14）r 01是误差放大器在节点1处的输出阻抗，1186642//(r //r )o ds m ds ds ds r r g r =（15）那么源级跟随器M 7管的源端电压变化为Δv 2，2111m o inv v g r v ∆≈∆=∆（16）与此同时，M 3管的漏端电流变化为Δi 1，11m i g v∆=-∆（17）由于M 3、M 5、M 8、M 9构成共源共栅电流镜，所以M 8和M 9的漏端电流变化Δi 2，211m ini i g v ∆=∆=-∆（18）所以该电流变化在M 8管漏端产生的电压变化Δv 3，3222o m in o v i r g v r ∆=∆=-∆（19）其中r o2是从M 8管漏端看进去的电阻288910(//)o m ds ds ds r g r r r =（20）所以此时在节点2处也就是调整管MP 栅端上产生的电压变化Δv p ，2312()P m in o o v v v g v r r ∆=∆-∆=∆+（21）正是由于对M 7、M 8、M 9 和M 10管组成的缓冲级的特殊设计，相比于传统LDO ，在MP 栅端的电压变化多出一股额外的压差变化Δv 3，使当负载发生改变时，在节点2处的压差变化对调整管MP 栅端的寄生电容C par 充放电流更大，也就是增加了公式（9）中I sr ，减小Δt 1，提高了环路响应速度，改善了系统的瞬态响应特性。