一种全集成型CMOS LDO的设计
引言
随着便携式电子设备的广泛使用，系统集成度越来越高。对于数／模混合的片上系统中，数字电路对模拟电路的干扰加大，因此模拟电路与数字电路需要施加独立电源，以减小数／模混合带来的相互干扰以及动态调整功耗。全集成型ldo线性稳压器可以用来为系统中各子模块单独供电，具有抑制电源噪声，减小干扰，同时消除键合线电感引入的瞬态脉冲的优点，此外还可以减小片外器件和芯片引脚，所以全集成型ldo线性稳压器成为片上系统(soc)型集成电路中不可或缺的模块。由于ldo的负载电流变化大，且调整管尺寸较大，为满足ldo的稳定性要求，必须对ldo进行频率补偿。传统方法是利用负载电容的esr进行补偿，但是，全集成型ldo不允许使用片外电容，因此设计一个不需片外电容，稳定，响应速度快的ldo是面临的主要挑战。
1 ldo原理与频率补偿
ldo线性稳压器的传统电路结构如图1所示，由误差放大器，缓冲器，调整管m0，分压电阻rf1，rf2，以及片外滤波电容c0和其寄生的等效串联电阻resr组成。片外电容c0和resr组成的零点用来抵消ldo中第2个极点，从而达到环路稳定。当没有片外电容补偿时，由于输出负载电流变化大，ldo的输出极点变化大，环路稳定性设计变得困难。leung提出了衰减系数控制频率补偿法(damping factor control compen-sation，dfc)和引入零点补偿，在稳定性，响应时间方面具有较好的特性。milliken采用在调整管的输入端和输出端之间加入一个微分器，将调整管输入节点和输出节点的2个极点分离，从而在只使用片内电容时依然保持稳定。kwok使用动态密勒电容补偿技术，通过串联一个在线性区工作的pmos管作为动态可调电阻，在误差放大器的输出端引入一个动态零点抵消ldo的输出极点，实现系统稳定。本文中则采用在负载端引入零点，补偿误差放大器输出极点的方法，避免了为补偿ldo输出极点，而需要大电容和动态调整电阻的要求，且减小了需要的补偿电容值，降低了芯片面积。
图2 ldo中电阻电容反馈网络
2 电路设计
图2为所设计的ldo线性稳压器电路，误差放大器为折叠式共源共栅结构，由m1～m14组成，m0为输出调整管，反馈网络由rf1，rf2和cf1组成，电容cc为误差放大器的补偿电容。
图2中电阻电容反馈网络的传输函数为：
这种反馈网络产生了一个零点***和一个较高的极点pf，设置极点pf大于单位增益频率，即rf2／／rf1>1／(cf1·pf)。
不施加片外电容时，ldo的传输函数为：
式中：ca，roa为分别误差放大器输出a端的寄生电容和输出电阻；gp0，rp0分别为调整管m0的跨导和小信号输出电阻；aamp为误差放大器的增益。由式(7)增益l0随着负载电流增大而降低，而极点p1随负载电流增大而升高，极点p2基本保持不变，对于不施加片外电容，其等效串联电阻resr所提供的零点不存在，在输出负载电流iout=0时，调整管输出电阻rp0最大，gmp0最小，故小负载电流时，环路稳定性变差。为满足ldo稳定性要求，iout必须有一个最小输出电流，以保证m0的输出极点p1不会太低。为保证极点p2和零点***相近而抵消，须适当减小调整管m0尺寸。在本应用中，ldo输入电压为2．5 v，用于为1．2 v核心电路供电，调整管m0的vds=1．3 v，所以m0可以取较小尺寸。
本设计采用了一阶温度补偿带隙基准电压源，图4所示为带隙基准电压源的核心电路，这里采用了典型的一阶温度补偿电流模结构。其中m1，m2和m3宽长比相同，r1=r2，a0为误差放大器，误差放大器的同相端接va端，反相端接vb端。为了保证电路的稳定性，必须保证电路中由m1，q1和r1组成的正反馈网络的反馈系数小于m2，r2，q0和r0组成的负反馈网络的反馈系数，即要求：
运算放大器a0使va，vb两点电压相等，忽略电阻的温度系数，电流i0为ptat电流，i1为ctat电流。通过选择，可以得到-40～+85℃范围内温度系数小于4．76ppm／℃。
3 仿真验证
该电路采用smic 0．25μm cmos工艺实现，输入电源电压为2．5 v，输出电压为1．2 v，作为芯片模拟部分的电源。ldo的环路稳定性采用spectre stb仿真，结果如图5所示，负载电流从1 ma变化到100 ma，整个系统相位裕度均在40°以上，系统稳定。图6为负载电流从1 ma到100 ma转换时，输出电压和输出电流瞬态响应曲线。从图中可以看出，瞬态响应过冲小于20 mv，无振铃现象产生。图6为仿真的电源电压抑制比(psrr)。低频时psrr好于75 db。整个ldo包括基准电压源共消耗静态电流390 μa。
图7 ldo电源抑制比方真图
4 结语
本文设计了一种全集成型ldo线性稳压器，采用一种简单的频率补偿电路，通过输出反馈电路引入零点，抵消了ldo产生第二个极点，获得较好的稳定性。此方法结构简单、不损失环路开环增益、带宽高，而且所需要的补偿电容小，节省芯片面积和输出引脚。
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1 ldo原理与频率补偿
ldo线性稳压器的传统电路结构如图1所示，由误差放大器，缓冲器，调整管m0，分压电阻rf1，rf2，以及片外滤波电容c0和其寄生的等效串联电阻resr组成。片外电容c0和resr组成的零点用来抵消ldo中第2个极点，从而达到环路稳定。当没有片外电容补偿时，由于输出负载电流变化大，ldo的输出极点变化大，环路稳定性设计变得困难。leung提出了衰减系数控制频率补偿法(damping factor control compen-sation，dfc)和引入零点补偿，在稳定性，响应时间方面具有较好的特性。milliken采用在调整管的输入端和输出端之间加入一个微分器，将调整管输入节点和输出节点的2个极点分离，从而在只使用片内电容时依然保持稳定。kwok使用动态密勒电容补偿技术，通过串联一个在线性区工作的pmos管作为动态可调电阻，在误差放大器的输出端引入一个动态零点抵消ldo的输出极点，实现系统稳定。本文中则采用在负载端引入零点，补偿误差放大器输出极点的方法，避免了为补偿ldo输出极点，而需要大电容和动态调整电阻的要求，且减小了需要的补偿电容值，降低了芯片面积。
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