LDO设计讨论课件
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Ii PMOS V2 Gmp Cpar, Rob Ro Io
Loop gain:
Lo A1G mp R O
R2 (feedbackfactor) R1 R 2
Start-up
Buffer
V1
C1, Ro1
R1 RL Resr
R O rdsp || (R1 R2) || R L
LDO频率补偿
2. 密勒电容补偿 原理：利用Miller电容倍乘 原理，将误差放大器的输出 补偿为主极点
Pdom : pd
GBW
kx :
1 r1 (k x g m2 r2 C c )
g m1 2k x C c
电流镜比例因子 第二级跨导
CL:1.5nF~20uF, ESR:0~3Ω Iout:0~200mA, Iq:30uA Dc gain:~60dB, UGB: tens of khz
LDO设计讨论
邢向龙
上海复旦微电子股份有限公司
2008年04月03日
LDO与DC-DC
VIN
VIN LDO
VOUT CL RL
DC-DC Controller L VOUT CL RL
LDO
Vin vs. Vout Response time Efficiency Noise Cost
2018/10/26
Vo R R2 1 1 1 Vi R L rdsp G mp A1 R2
Frequency response:
P1: p1 1 C1R o1
P2 : p2 (rdsp 1 R esr )C L
P3: p3 1 R ob C par
Z1 : z1 1 R esr C L
VO / VI
Load regulation: VO / I O Line regulation:
2018/10/26
Efficiency:
E
VO I O 100% VI (I O I q )
4
LDO架构
Pass Element
Negative Feedback Loop
R1 RL Vo
增加环路增益和调整管尺寸可改善负载调整率和线性调整率
2018/10/26
8
LDO频率补偿
1. 使用ESR补偿
原理：使用ESR电阻与Co构成的零点抵消一个次极点影响
Pdom : pd 1 R o Co
2
Байду номын сангаас
1 R ESR C b
1 3 R oa C par
Zesr : esr
1 R esr C o
2018/10/26
Protection circuits: Thermal, Overcurrent, Reverse battery protection CL: uF; Resr: 0~several ohms
Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2
6
LDO架构
频率参数：稳定性，PSRR，噪声
其他：面积
Trade-off!
2018/10/26 3
LDO设计参数
Vdropout Ii IN OUT Io Resr Vi
LDO
CL GND
RL Vo
LDO Application
CL: uF (external)
Dropout:
VDO I O R ON 低dropout电压意味着更大的面积！
2018/10/26 5
LDO架构
Ii PMOS V2 Gmp Io Start-up
Buffer
Loop
V1
R1 RL Resr
Vi
Protection circuits EA Vref Bandgap reference R2 Gain: A1 Fb
Vo
CL
Pass element: PMOS, gmp EA: Error amplifier with gain of A1 Buffer: optional, gain≈1
DC-DC
Vout<Vin Buck Vout>Vin Boost Slow High High (Clock) High (L+C)
2
Vout<Vin Fast Low Low Low (C)
LDO设计参数
稳态参数：静态功耗，Dropout电压，精度（负 载调整率，线性调整率），温度特性，效率 动态参数：线性瞬态响应，负载瞬态响应，启动 时间
Vo
Vi
Vi
Control Circuit
Fb
R2
由调整管，电阻反馈网络和控制电路构成的负反馈环路使得当Vi>Vo时， 根据负载电流的大小改变调整管的导通能力，使Vo在一定负载范围内保持 稳定输出 可供选择的调整管器件包括PMOS，NMOS，NPN，PNP和Darlington 管,PMOS是各方面性能（静态功耗，导电能力，速度，dropout电压和工 艺等）折中考虑后最好的选择，也是最常见的调整管器件
2018/10/26 9
LDO频率补偿
LDO的buffer
增益提高的频率响应
zx
g m3 2C ff
px
1 2rds3 C ff
加入buffer增加对调整管的驱动能力 第一级运放用cascode提高增益
Cff产生一对零极点，保证UGB不变
2018/10/26
Px和Zx产生原理
10
Vi
Protection circuits EA Vref Bandgap reference R2 Gain: A1 Fb
Vo
Load regulation:
R o _ pass Vo 1 R R2 1 Io G mpA1 R2 1 Aol
CL
Line regulation:
(C o C b )
频率响应最差情况发生在最大负载时，此时主极点处于较高频率，高频极点有可能落在 单位增益带宽之内，使相位裕度变差 这种方法的缺点在于电容的ESR受到温度，电压，频率和材料等因素影响，不够稳定， ESR的取值范围根据不同的应用有一定限制，且ESR的引入会对LDO的瞬态特性带来不利 影响
7
2018/10/26
设计考虑
LDO的环路稳定性是关键，负载电流变化大（0~几十或者几百mA)为频 率补偿带来难度（输出端的极点位置变化很大，rds与输出电流成反比）
低dropout电压大负载电流要求芯片的面积增大，使得寄生极点的频率 比较低，增加补偿难度
低功耗可以增加环路增益，但同时会使LDO瞬态特性变差，在电源电压 不变的情况下，低功耗同时也意味着芯片面积增大
Loop gain:
Lo A1G mp R O
R2 (feedbackfactor) R1 R 2
Start-up
Buffer
V1
C1, Ro1
R1 RL Resr
R O rdsp || (R1 R2) || R L
LDO频率补偿
2. 密勒电容补偿 原理：利用Miller电容倍乘 原理，将误差放大器的输出 补偿为主极点
Pdom : pd
GBW
kx :
1 r1 (k x g m2 r2 C c )
g m1 2k x C c
电流镜比例因子 第二级跨导
CL:1.5nF~20uF, ESR:0~3Ω Iout:0~200mA, Iq:30uA Dc gain:~60dB, UGB: tens of khz
LDO设计讨论
邢向龙
上海复旦微电子股份有限公司
2008年04月03日
LDO与DC-DC
VIN
VIN LDO
VOUT CL RL
DC-DC Controller L VOUT CL RL
LDO
Vin vs. Vout Response time Efficiency Noise Cost
2018/10/26
Vo R R2 1 1 1 Vi R L rdsp G mp A1 R2
Frequency response:
P1: p1 1 C1R o1
P2 : p2 (rdsp 1 R esr )C L
P3: p3 1 R ob C par
Z1 : z1 1 R esr C L
VO / VI
Load regulation: VO / I O Line regulation:
2018/10/26
Efficiency:
E
VO I O 100% VI (I O I q )
4
LDO架构
Pass Element
Negative Feedback Loop
R1 RL Vo
增加环路增益和调整管尺寸可改善负载调整率和线性调整率
2018/10/26
8
LDO频率补偿
1. 使用ESR补偿
原理：使用ESR电阻与Co构成的零点抵消一个次极点影响
Pdom : pd 1 R o Co
2
Байду номын сангаас
1 R ESR C b
1 3 R oa C par
Zesr : esr
1 R esr C o
2018/10/26
Protection circuits: Thermal, Overcurrent, Reverse battery protection CL: uF; Resr: 0~several ohms
Feedback loop: EA+buffer+PMOS+R1|R2
6
LDO架构
频率参数：稳定性，PSRR，噪声
其他：面积
Trade-off!
2018/10/26 3
LDO设计参数
Vdropout Ii IN OUT Io Resr Vi
LDO
CL GND
RL Vo
LDO Application
CL: uF (external)
Dropout:
VDO I O R ON 低dropout电压意味着更大的面积！
2018/10/26 5
LDO架构
Ii PMOS V2 Gmp Io Start-up
Buffer
Loop
V1
R1 RL Resr
Vi
Protection circuits EA Vref Bandgap reference R2 Gain: A1 Fb
Vo
CL
Pass element: PMOS, gmp EA: Error amplifier with gain of A1 Buffer: optional, gain≈1
DC-DC
Vout<Vin Buck Vout>Vin Boost Slow High High (Clock) High (L+C)
2
Vout<Vin Fast Low Low Low (C)
LDO设计参数
稳态参数：静态功耗，Dropout电压，精度（负 载调整率，线性调整率），温度特性，效率 动态参数：线性瞬态响应，负载瞬态响应，启动 时间
Vo
Vi
Vi
Control Circuit
Fb
R2
由调整管，电阻反馈网络和控制电路构成的负反馈环路使得当Vi>Vo时， 根据负载电流的大小改变调整管的导通能力，使Vo在一定负载范围内保持 稳定输出 可供选择的调整管器件包括PMOS，NMOS，NPN，PNP和Darlington 管,PMOS是各方面性能（静态功耗，导电能力，速度，dropout电压和工 艺等）折中考虑后最好的选择，也是最常见的调整管器件
2018/10/26 9
LDO频率补偿
LDO的buffer
增益提高的频率响应
zx
g m3 2C ff
px
1 2rds3 C ff
加入buffer增加对调整管的驱动能力 第一级运放用cascode提高增益
Cff产生一对零极点，保证UGB不变
2018/10/26
Px和Zx产生原理
10
Vi
Protection circuits EA Vref Bandgap reference R2 Gain: A1 Fb
Vo
Load regulation:
R o _ pass Vo 1 R R2 1 Io G mpA1 R2 1 Aol
CL
Line regulation:
(C o C b )
频率响应最差情况发生在最大负载时，此时主极点处于较高频率，高频极点有可能落在 单位增益带宽之内，使相位裕度变差 这种方法的缺点在于电容的ESR受到温度，电压，频率和材料等因素影响，不够稳定， ESR的取值范围根据不同的应用有一定限制，且ESR的引入会对LDO的瞬态特性带来不利 影响
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2018/10/26
设计考虑
LDO的环路稳定性是关键，负载电流变化大（0~几十或者几百mA)为频 率补偿带来难度（输出端的极点位置变化很大，rds与输出电流成反比）
低dropout电压大负载电流要求芯片的面积增大，使得寄生极点的频率 比较低，增加补偿难度
低功耗可以增加环路增益，但同时会使LDO瞬态特性变差，在电源电压 不变的情况下，低功耗同时也意味着芯片面积增大