低負載調整率和低線性調整率的雙環(huán)路LDO

王 興，陳彥杰，李現(xiàn)坤，肖培磊，宣志斌

(中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035)

一般情況下，線性穩(wěn)壓器(LDO)需要外接一個負載電容，以抑制輸出電壓的過沖，同時穩(wěn)定LDO 的內部環(huán)路。LDO輸出電壓具有低噪聲、低波紋、無電磁干擾(EMI)的特性，在大量系統(tǒng)級芯片(SoC)或模數(shù)/數(shù)模(AD/DA)轉換芯片中都需要一個LDO，為后續(xù)噪聲敏感電路提供穩(wěn)定低噪的工作電壓。LDO 的片外負載電容需要SoC 等芯片設有專用的引腳，負載電容和引腳的存在增加了印制電路板(PCB)的面積，成本也大幅增加。傳統(tǒng)的LDO 通常采用較大的片外電容，這種方法在增大成本的同時也會影響系統(tǒng)的集成度[1]。如果SoC內部需要多個LDO，那么電路面積和成本將倍增，造成極大的浪費。為了擺脫片外電容的限制，適應片上系統(tǒng)的需求，無片外電容LDO 的設計成為一種發(fā)展趨勢[2]。

LDO 片外微法級的大電容通過存儲的電荷，在負載變化調整管未及時響應時，對負載進行充放電，減小負載電流引起的過沖電壓和下沖電壓幅度[3]。無片外電容的LDO 由于沒有大電容存儲電荷，在負載變化時調整管的柵端電壓需要快速做出響應，但因調整管的柵端寄生電容很大，柵極電壓調整往往受限于環(huán)路帶寬和上一級輸出端的壓擺率，所以一般情況下無片外電容的LDO 比含片外電容的LDO 負載瞬態(tài)響應特性差[4]。本文提出了一款雙環(huán)路結構、含內置電容的LDO，具有負載瞬態(tài)響應高、線性調整率高、負載調整率高、集成化程度高、尺寸小、成本較低等優(yōu)點[5]。

1 LDO 電路分析

LDO 將外部輸入電壓VIN轉換成所需要的輸出電壓VOUT，在正常輸入電壓范圍內，提高了內部電路的電源抑制能力。LDO 由雙環(huán)反饋電路構成，主要包括誤差放大器(EA)、調整管(MP1、MP2)、反饋網絡等[6]。本文設計的LDO 電路原理圖如圖1 所示。

圖1 LDO電路原理圖

電流環(huán)路分析：該電流環(huán)路具有快速響應和過載恢復能力。當負載RL阻值瞬間減小時，會拉低LDO 的輸出電壓VOUT，使得電阻R1和R2對VOUT分壓產生的VFB電壓降低，經EA調節(jié)后，使EA 的輸出電壓增大，從而使MP2調整管的開啟程度減小，通過負反饋環(huán)路，使得MP1開啟程度增大，進一步增大LDO 的帶載能力，使其輸出穩(wěn)定為VOUT。當負載RL瞬間增大時，LDO 的輸出電壓VOUT會升高，使得電阻R1和R2對VOUT分壓產生的VFB電壓升高，經EA 調節(jié)后，使EA 的輸出電壓減小，從而使MP2調整管的開啟程度增大，通過負反饋調節(jié)，使得MP1開啟程度減弱，進一步減小LDO 的帶載能力，使其穩(wěn)定輸出VOUT。

電壓環(huán)路分析：該電壓環(huán)路具有快速誤差調節(jié)能力和頻率補償能力。當RL瞬間減小時，LDO 輸出電壓拉低，EA 輸出誤差電壓增大，電壓環(huán)路把這種誤差電壓轉換成電流，通過電流鏡結構鏡像電流后再轉換成誤差電壓來增大MP1調整管的開度，最終提高LDO 的帶載能力，使其穩(wěn)定在VOUT。當RL瞬間增大時，LDO 輸出電壓升高，EA 輸出誤差電壓減小，電壓環(huán)路會把這種誤差電壓轉換成鏡像電流再轉換成誤差電壓來減小MP1調整管的開啟程度，最終減小LDO 的輸出能力，使其穩(wěn)定在VOUT。

CL是LDO 內置電容，對輸出電壓起到濾波和穩(wěn)壓作用，LDO 不用再接外置電容。R2和C1是EA 負反饋端輸入信號的濾波電路。R3和C2為運放輸出信號頻率補償電路，確保電流環(huán)和電壓環(huán)穩(wěn)定工作。穩(wěn)壓管D1用于穩(wěn)定LDO 的輸出電壓VOUT，防止VIN上電過快而引起的輸出電壓VOUT過沖。該LDO 有2 個極點、1 個零點，可選取帶適當寄生電阻的輸出電容和頻率補償電路使零點與極點相互抵消，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定[7]。

LDO 的環(huán)路穩(wěn)定性分析：此LDO 由電流環(huán)和電壓環(huán)組成，電流環(huán)路采用負反饋形式進行連接，當負載電流突變時，電壓環(huán)能快速把這種負載突變引起的電壓變化量傳遞到電流環(huán)，電流環(huán)通過EA 的負反饋連接，進行負反饋電流環(huán)路調節(jié)，從而使該系統(tǒng)穩(wěn)定工作。另外，LDO 的濾波電路會產生極點，可以在LDO 的輸出端加輸出電容，輸出電容的電子自旋諧振(ESR)可以用于補償環(huán)路，提升環(huán)路穩(wěn)定性[8]。

1.1 EA

EA 的電路原理如圖2 所示。EA 的結構為有源電流鏡的差分對，此電路最重要的特點是，它將雙端輸入轉換成了單端輸出，抑制了干擾信號進入電路當中。C4在電路當中會產生一個極點，C3則會抵消這個極點，使電路系統(tǒng)更加穩(wěn)定[9]。

圖2 EA電路原理

1.2 零點與極點分析

MN5的跨導為gMN5，考慮溝道調制效應，則MN5的溝道電阻為RMN5，MP6的溝道電阻為RMP6，EA 輸出阻抗為ZOA，直流增益為AV，則：

LDO 的閉環(huán)傳遞函數(shù)H(s)為：

式中：γ 為常數(shù)；s=jw，w為角頻率；gMP1為調整管MP1跨導；gmp為LDO 等效跨導；ZO為LDO 輸出阻抗。

設MP1柵極到地的等效電容為CP，MP1溝道電阻為RMP1，CL=C1//C2，RMP1遠小于R1、R2，則：

C3產生極點fP1，C4產生極點fP2，輸入輸出耦合電容Co產生零點fZ1，由式(4)～式(6)整理可得:

該LDO 電路有2 個極點、1 個零點，零點與極點相互抵消，最終使得系統(tǒng)穩(wěn)定[10]。

2 仿真與結果

LDO 空載時，內部消耗的電流為靜態(tài)電流。一般來說，靜態(tài)電流不隨輸入電壓的變化而變化，幾乎是恒定不變的。本設計基于國內某0.18 μm 標準工藝線，對LDO 電路原理進行靜態(tài)仿真驗證。LDO 輸出端懸空，即不接負載。LDO 靜態(tài)消耗電流IVIN隨VIN變化曲線如圖3 所示。仿真結果表明，此LDO 在VIN為4.942 74 V 時，IVIN最小(16.847 842 6 μA)，小于普通LDO 的靜態(tài)電流[11]。

圖3 LDO的IVIN隨VIN的變化曲線

VOUT隨VIN變化曲線如圖4 所示，LDO 最大輸出電壓Vmax約為2.592 025 V，最小輸出電壓Vmin約為2.591 94 V。普通LDO 的線性調整率一般為0.24 mV/V。

圖4 VOUT隨VIN的變化曲線

式中：Rline為LDO 的線性調整率。線性調整率越小，說明輸入電壓變化對輸出電壓影響越小，性能越好。仿真結果表明，該LDO 的線性調整率比普通的LDO 降低了10%，性能大幅提高。

LDO 的動態(tài)負載調整率是指VIN一定時，VOUT隨負載電流Iload變化而產生的變化量。當Iload變化緩慢時，一般的LDO 輸出恒定不變。當Iload快速跳變時，VOUT會隨之改變，這個改變量的大小決定了負載瞬態(tài)性能，這個值越小越好。LDO 瞬態(tài)仿真時VOUT和Iload隨時間t變化曲線如圖5 所示。圖5 中，橫坐標t為LDO 瞬態(tài)仿真時間，縱坐標為輸出電壓VOUT和負載電流Iload，Iload值在0 mA—1.016 6 mA—25.016 mA 跳變。普通的LDO 負載調整率一般為25 μV/mA。

圖5 瞬態(tài)仿真時VOUT和Iload隨時間t變化曲線

式中：Rload為LDO 的負載調整率。仿真結果表明，該LDO 具有較小的負載調整率，比普通的LDO 負載調整率減小了16.7%，性能大幅度提升。

LDO 最大的優(yōu)點之一是能夠衰減開關模式電源產生的電壓紋波，這對鎖相環(huán)(PLL)和時鐘等信號調節(jié)器在內的數(shù)據轉換器尤為重要，LDO 電源抑制比(PSRR)是LDO 供電時對其混雜在其中的交流信號的衰減能力，這個參數(shù)越大，代表抑制輸入紋波的能力越強[12]。LDO 的電源抑制比隨頻率的變化曲線如圖6 所示，從圖中可知，LDO 的PSRR 為－78.101 dB。仿真結果表明，此雙環(huán)路LDO 的PSRR 能力良好。

圖6 LDO的電源抑制比隨頻率的變化曲線

LDO 的相位和增益隨頻率的變化曲線如圖7 所示。從圖中可以讀出，相位裕度約為123.351°，低頻時增益為56.972 dB，LDO 環(huán)路增益和相位裕度是合適的。仿真結果表明，LDO 的幅頻特性和相頻特性指標良好。

圖7 LDO的相位和增益隨頻率的變化曲線

LDO 電路版圖如圖8 所示。完成了版圖設計并進行了含寄生參數(shù)的仿真驗證，仿真結果表明該LDO 可以穩(wěn)定輸出VOUT電壓，且其他各項性能指標良好。

圖8 LDO電路版圖

3 結論

本文基于國內0.18 μm 標準工藝，運用Cadence Spectre對設計的LDO 進行了線性調整率、負載調整率等各項指標的仿真驗證。仿真結果表明，該LDO 具有高的線性調整率和高的負載調整率，比普通LDO 的線性調整率和負載調整率分別降低了10%和16.7%，且其他各性能指標良好。