一種低電壓無片外電容LDO的設(shè)計

西安電子科技大學 王文強 李 晴 翟世奇 高 鵬

本文采用0.18 μmCMOS工藝，設(shè)計了一種向數(shù)字、模擬、射頻等模塊供電的低電壓LDO。由交叉耦合電荷泵向帶隙基準、誤差放大器供應可靠升壓電壓，交叉耦合電荷泵、功率管工作在低電壓下。選擇Cascode米勒補償實現(xiàn)環(huán)路頻率補償，使之輕/重載條件下都擁有可靠性。通過Cadence Spectre進行性能仿真，LDO最低輸入電壓是0.8 V，輸出電壓是0.5 V，負載處于100μA～150mA區(qū)間內(nèi)，具備環(huán)路穩(wěn)定性與負載調(diào)整率，相位裕度維持60°以上；另外電路電源噪聲抑制比，低頻段可達86.3 dB，1 MHz則是62.0 dB，LDO各項性能參數(shù)均達到設(shè)計目標。

隨著CMOS工藝快速發(fā)展與片上系統(tǒng)芯片（SoC）推廣普及，電源電壓呈現(xiàn)下降趨勢，傳統(tǒng)電源管理方案逐漸暴露一些問題，不能繼續(xù)適應SoC低電壓要求。低電壓使SoC內(nèi)部對電源噪聲與紋波敏感的電路模塊往往必須集成一種片內(nèi)低壓差線性穩(wěn)壓器（Lowdropout regulator, LDO），向它供應干凈電源電壓。傳統(tǒng)LDO在輸入電壓方面始終存在相應限制，輸出超低電壓將使電路總體能量轉(zhuǎn)換效率明顯下降，本文合理改進LDO設(shè)計，提高LDO實用性。

1 低電壓LDO設(shè)計

文章電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電荷泵、功率管工作在電源電壓下，由交叉耦合電荷泵為帶隙基準、誤差放大器供應可靠升壓電壓，實現(xiàn)了一種低電壓下LDO設(shè)計。

圖1 整體電路結(jié)構(gòu)

1.1 電荷泵電路

在進行升壓時，相比于Dickson電荷泵只在二分之一周期時間內(nèi)對輸出電容進行充電，而導致了電荷泵輸出端的紋波電壓過大，交叉耦合電荷泵在這方面有著絕對的優(yōu)勢；在兩個非交疊的時鐘周期中，交叉耦合電荷泵通過一對工作狀態(tài)相反的結(jié)構(gòu)來進行控制，可以看成兩個相對獨立的電荷泵交替的進行電荷的轉(zhuǎn)移工作，圖2所示的電荷泵全周期都在工作狀態(tài)，即泵電容在整個時鐘周期內(nèi)都會對輸出電容進行充電，使得電荷泵的效率較高，輸出的紋波電壓幾乎可以忽略不計。

1.2 基準電路

LDO需要的參考電壓是一個與工藝、溫度和電壓無關(guān)的參考電壓源。帶隙基準電壓具有低溫度系數(shù)、高電源電壓抑制等特性，是LDO中應用最多的電壓基準之一。

如圖3所示的帶隙基準電路包括啟動電路、基準電路和偏置電路。在電荷泵的供電下，該基電路可以在-40℃～125℃下提供0.25 mV的參考電壓，且溫漂系數(shù)為11.8 ppm/℃。

圖3 帶隙基準電路

1.3 LDO電路

本文采用的無片外電容LDO如圖4所示，采用全差分折疊式共源共柵運放作為誤差放大器輸入級，借此產(chǎn)生大的增益和輸出擺幅，差分輸入單端輸出的緩沖級電路以對稱的方式驅(qū)動緩沖管，同時緩沖級可面向功率管柵極電容實現(xiàn)高效充/放電，相比于普通的源極跟隨器，存在較高電流轉(zhuǎn)換效率，可增強電路瞬態(tài)響應性能。

圖4 LDO主體結(jié)構(gòu)

2 性能仿真

本文采用Cadence的Spectre軟件以及TSMC的0.18 μm工藝庫進行系統(tǒng)仿真。在0.8～1.2 V的工作電壓下，得到如圖5的輸出仿真曲線，輸出電壓穩(wěn)定在502.76 mV時，最小壓差為300 mV。

LDO主要通過負反饋環(huán)路組成，為了確保電路在負載范圍內(nèi)，整個LDO系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作，必須驗證電路在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 LDO穩(wěn)定性仿真曲線

從結(jié)果能看出在負載范圍內(nèi)，環(huán)路的低頻增益均能保持在50dB以上，相位裕度也都大于60°，電路具有很好的穩(wěn)定性。

結(jié)語：本文設(shè)計了一款低電壓的無片外電容LDO。仿真結(jié)果表明，工作溫度范圍為-40℃～125℃下，該電路能夠在0.8～1.8 V的輸入電壓下提供0.5V輸出電壓，且全負載范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，負載電流在100μA～150mA范圍內(nèi)，環(huán)路相位裕度大于60°。另外LDO負載瞬態(tài)響應最大過沖、下沖電壓只有86.6mV、30.81mV，恢復時間不超過1.5μs，電源抑制比在重載情況下也能達到60dB，測得的數(shù)據(jù)結(jié)果滿足設(shè)計目標。