一種高增益快速響應(yīng)且無片外電容型LDO設(shè)計*

胡玉松，馮全源

(西南交通大學(xué)微電子研究所，成都610031)

HU Yusong，F(xiàn)ENGQuanyuan*

(Instituteof Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

目前完全集成的片上電源管理系統(tǒng)廣泛運用于各類消費電子設(shè)備上，對大規(guī)模集成電路設(shè)計提出更高的挑戰(zhàn)。LDO作為電源管理芯片核心部件之一，要求其尺寸小、瞬態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高等特點。為便于集成、降低成本、提高瞬態(tài)響應(yīng)時間，無片外電容LDO結(jié)構(gòu)設(shè)計是目前主要的趨勢。無片外電容LDO結(jié)構(gòu)目前面臨的主要問題是負載大幅變化引起大的下沖和過沖，因而對瞬態(tài)響應(yīng)速度、環(huán)路帶寬、環(huán)路增益、環(huán)路補償技術(shù)［1］提出非常高的要求。環(huán)路帶寬BWL和調(diào)整管柵級擺率SRG決定LDO的瞬態(tài)響應(yīng)速度。近幾年，許多研究針對無片外電容LDO提出了一些架構(gòu)［2］，提高了電源效率以及改善了瞬態(tài)響應(yīng)速度。其中通過更改誤差放大器結(jié)構(gòu)，提高其對調(diào)整管柵極充放電能力，以及運用電容耦合效應(yīng)加快瞬態(tài)響應(yīng)是目前最主要的兩種方式。

為提高瞬態(tài)響應(yīng)，減小頻率補償電容，本文基于文獻［3－4］提出了一種低電容補償、具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力的LDO結(jié)構(gòu)。

1 本文提出的LDO架構(gòu)

圖1是典型的LDO負載電流突變的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。負載電流突變引起的下沖與過沖會可能會影響后面數(shù)字邏輯的誤觸發(fā)，更高的過沖還可能擊穿負載電路的器件。因此，瞬態(tài)響應(yīng)能力是LDO關(guān)鍵特性之一，需把下沖與過沖降到最低。LDO應(yīng)對電流突變的瞬態(tài)響應(yīng)能力由兩個部分決定:初始反映時間t1、t3，穩(wěn)定時間t2、t4。t1是誤差放大器帶寬WB、SR電流ISR以及dV的函數(shù)。t1的值由下試給出:

WB是 LDO閉環(huán)帶寬，ISR為驅(qū)動寄生電容Cparasite的充電電流。t3與t1類似。從上式可以看出為減小t1，t3，LDO系統(tǒng)需要有一個大的帶寬和大的擺率電流。

圖1 負載電流突變時的瞬態(tài)響應(yīng)曲線

1．1 本文的ERR AMP結(jié)構(gòu)

為了獲得高的低頻增益，輸出電阻需要比較大，如果用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)雖電源抑制比(PSRR)極高［6］，但會限制輸出電壓擺幅。采用多級運放會增加極點，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過減小輸出電流來加大輸出電阻，對于傳統(tǒng)LDO來說也會相應(yīng)減小跨導(dǎo)Gm，最終導(dǎo)致總的增益不變。更重要的是減小了輸出電流，也減小了驅(qū)動寄生電容Cparasite的充放電能力，從而直接影響到擺率SR提高，故此方法不能采用。文獻［3］提出的架構(gòu)，在增加直流增益并同時增加了一路額外控制電路在瞬態(tài)期間來加大輸出電流，提高擺幅的同時增加了跨導(dǎo)與輸出電阻，提高了增益。

1．2 SR瞬態(tài)增強電路

SR瞬態(tài)增強電路一般由兩部分構(gòu)成，一是瞬態(tài)變化檢測電路，二是將檢測信號轉(zhuǎn)換為電流對SR瞬態(tài)進行補償。在負載電流變化的瞬間，誤差放大器的VP、VM點的電位會相應(yīng)快速的變化，這個可作以為瞬態(tài)變化檢測電路的監(jiān)測點。一種常用的檢測電路如圖3，通過設(shè)置PMOS與NMOS的寬長比，可以讓電路在穩(wěn)態(tài)時輸出為接近電源電壓和地電壓，在變化瞬間會輸出一個正向或者負向脈沖。但是檢測電路輸出信號驅(qū)動能力和擺幅有限，為此可以加一級放大器，這里選擇了一級反相器，經(jīng)過反相器其信號可以得到放大，擺幅可以接近電源電壓，將緩慢變化的信號轉(zhuǎn)換為快速的信號，驅(qū)動能力加強。輸出信號如圖4所示。

對電路瞬態(tài)進行補償，需要將檢測電路的輸出信號轉(zhuǎn)換為電流或者電壓信號，對LDO的調(diào)整管進行補償。目前大部分研究都集中于在誤差放大器與調(diào)整管之間加入電路，加強瞬態(tài)響應(yīng)。常見的是通運放電路見圖2的OTA部分。在靜態(tài)工作時，M2管部分電流流過M10，鏡像到M6的電流就相對少了，輸出電流減小，輸出阻抗提高，同時對Gm沒影響，輸出增益提高。在瞬態(tài)期間，M11－M14可以檢測輸入壓差，控制 M9、M10電流大小，當(dāng) M2增加Gm2Vin/2，通過 M11控制 M10減少 Gm10VinC/2D。這樣，M4上電流變化量為Gm2Vin/2+Gm10VinC/2D，反之亦然，驅(qū)動寄生電容Cparasite能力加強，提高了瞬態(tài)響應(yīng)能力。OTA總的跨導(dǎo)為:

半邊支路靜態(tài)電流為It/2=B+C+D，這里B、C、D代表每路電流，It為尾電流(M0管流過的電流)。故Io為:

輸出電阻為:

從上式可以看出電流相對普通AB類OTA運放輸出電阻(2B/(A(λ6‖λ8)It))增加(C+D)/A倍，見式(3)，輸出電阻大大增加。過增加一路電流通路對PMOS調(diào)整管直接充放電，加快PMOS的調(diào)整速度，達到減小下沖和過沖的目的。文獻［4］提出了一種偏置電流增強電路，可以將檢測電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，再通過偏置電路增加偏置電流，加快對調(diào)整管的寄生電容充放電，提高瞬態(tài)響應(yīng)。

本文采用固定偏置與偏置加強電路相結(jié)合的結(jié)構(gòu)見圖2的運放部分。固定偏置在穩(wěn)態(tài)期間可以提供穩(wěn)定的電流，RC電路只有在電壓變化的時候才產(chǎn)生脈沖電壓，導(dǎo)通與關(guān)斷MOS管，故偏置電流加強電路只有在瞬態(tài)期間才啟動，提供更高的電流，而在穩(wěn)態(tài)期間，基本不導(dǎo)通，靜電流僅為20 nA，可忽略不計，極大的降低了靜態(tài)期間的功耗。本文分別用PMOS、NMOS作為開關(guān)。檢測信號通過反相器，輸出信號擺幅接近電源電壓，通過RC電路后，可以將PMOS與NMOS偏置在飽和區(qū)，電流補償能力加強，可以有效降低下沖與過沖。

1．3 LDO的環(huán)路分析

圖2 帶瞬態(tài)增強電路的無片外電容型LDO

圖3 瞬態(tài)檢測電路

圖4 檢測電路輸出信號

LDO的環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖5，小信號模型如圖6所示。補償電容C1為2 pF，R1為600Ω，在PMOS調(diào)整管的柵極形成了整個系統(tǒng)的主極點。SR增強電路在運放輸出端經(jīng)過一級放大后反饋到輸入端，故對整個系統(tǒng)的極點不構(gòu)成影響，gmf為SR增強電路跨導(dǎo)。運放中包含兩個二極管連接的MOS管M13、M14，會貢獻一個極點。然而，M13、M14漏極小信號電阻比較小，這個極點會出現(xiàn)在很高的頻率處，故可以忽略其對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。

整個環(huán)路的傳遞函數(shù)表示如下:

圖5 LDO環(huán)路結(jié)構(gòu)

圖6 LDO小信號分析

2 仿真結(jié)果

本文的LDO基于0．5μm的工藝進行設(shè)計，并用HSPICE軟件進行仿真驗證。共模輸入范圍為1 V ～3 V，輸入電壓 VIN為3．0 V ～6 V，基準(zhǔn)電壓為1．2 V，輸出 Vout為 2．4 V，負載電流 Iload變化范圍為1 mA ～100 mA。

圖7是PSRR仿真結(jié)果，低頻為65 dB，滿足要求。圖8給出了頻率特性仿真結(jié)果，負載電流為20 mA，低頻增益為84 dB，增益大大提高，而且頻率特性也很好，帶寬也得到提高，3 dB帶寬為4 068 Hz。

圖7 LDO PSRR仿真曲線

圖8 LDO增益與相位曲線

圖9給出了負載瞬態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果，包含了case0、case1、case3，其中 case1 與 case3 是兩種極端工藝角情況，case0是typical工藝角。負載電流在15μs處經(jīng)過1μs從1 mA～100 mA變化，經(jīng)過響應(yīng)時間，輸出穩(wěn)定。經(jīng)過10μs，在40μs處負載電流又經(jīng)過1μs從100 mA～1 mA變化，經(jīng)過調(diào)整，最終達到穩(wěn)定輸出。表1中給出了3個工藝角(tt是typical工藝角，ff是所有器件上拉下拉都很快，ss是所有器件上拉下拉都很慢，tt、ff是兩種極端情況)下的各項指標(biāo)值，其中響應(yīng)時間是從負載變化到輸出穩(wěn)定整個時間，Vdropout是負載為1 mA與100 mA時輸出電壓差值。

圖9 LDO在3種工藝條件下的負載瞬態(tài)響應(yīng)曲線

從表中可以看出，在3種工藝角下，負載響應(yīng)均比較理想，瞬態(tài)增強電路與快速響應(yīng)運放發(fā)揮了很好效果，滿足設(shè)計要求。

表1 3種工藝條件下瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)

表2是本文得到的結(jié)果與參考文獻對比情況?？梢姳疚呢撦d瞬態(tài)響應(yīng)下沖與過沖均比較理想，瞬態(tài)增強電路與快速響應(yīng)OTA電路共同發(fā)揮作用，達到比較理想的結(jié)果，極大的提高了LDO的穩(wěn)定性。

表2 與參考文獻的性能對比

圖10是溫度特性曲線。溫度從－40°～125°變化，在20 mA 負載電流下，case0、case1、case3(如上文所提分別代表tt、ff、ss工藝腳本)之Vout變化分別為2．13 mV、2．19 mV、2．18 mV，LDO 輸出電壓隨溫度變化小，溫度特性好。

圖10 LDO在3種工藝條件下的溫度特性曲線

3 結(jié)束語

本文提出的LDO結(jié)構(gòu)，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)，在整個補償電容只有4 pF的情況下，下沖與過沖分別為82 mV、89 mV，極大的降低了過沖與下沖，提高LDO的負載響應(yīng)能力，減小了芯片面積。在兩種極端工藝角下，下沖最大不超過96 mV，過沖最大不超過108 mV，滿足設(shè)計要求。在靜態(tài)工作時，靜態(tài)功耗為50μA，負載響應(yīng)時間最大僅為1．3μs，帶寬高，增益大。

［1］ 郭鵬，沈相國．LDO的三種頻率補償方案實現(xiàn)［J］．電子器件，2006，29(3):706 －709．

［2］ 唐宇，馮全源．一種適用于高壓電源管理的無輸出電容自基準(zhǔn)低壓差線性穩(wěn)壓器［J］．電子器件，2014，37(1):26－29．

［3］ Roh J．High-Gain Class-AB OTA With Low Quiescent Current［J］．Analog Integr Circuits Signal Process，2006，47(2):225－228．

［4］ 王常，吳震，鄧朝勇．一種無片外電容LDO的瞬態(tài)增強電路設(shè)計［J］．電子設(shè)計工程，2013，21(4):14 －18．

［5］ 蹇俊杰，馮全源．采用增強型AB跟隨器的快速響應(yīng)LDO［J］．微電子學(xué)，2012，42(1):76 －79．

［6］ 孫毛毛，馮全源．LDO線性穩(wěn)壓器中高性能誤差放大器的設(shè)計［J］．微電子學(xué)，2006，136(l1):108－110．

［7］ 李江昆，楊汝輝，楊康，等．一種帶瞬態(tài)增強電路的無電容型LDO［J］．微電子學(xué)，2012，42(1):54 －57．

［8］ 楊潔，曾云．一種快速瞬態(tài)響應(yīng)的無片外電容LDO的設(shè)計［J］．微電子學(xué)與計算機，2012，29(8):123－126．

［9］ 胡佳俊，陳后鵬，金榮，等．一種瞬態(tài)響應(yīng)增強的片上LDO系統(tǒng)設(shè)計［J］．微電子學(xué)，2012，42(3):1 －4．

［10］崔傳榮，鞏文超，王憶，等．低功耗無片外電容的低壓差線性穩(wěn)壓器［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009，43(11):2006－2011．

［11］李旭，蔡敏．無片外電容LDO穩(wěn)壓器設(shè)計［D］．華南理工大學(xué)，2013．