隨著便攜式電子設(shè)備的廣泛使用,，系統(tǒng)集成度越來越高,。對于數(shù)/模混合的片上系統(tǒng)中,，數(shù)字電路對模擬電路的干擾加大，因此模擬電路與數(shù)字電路需要施加獨立電源，以減小數(shù)/?；旌蠋淼南嗷ジ蓴_以及動態(tài)調(diào)整功耗,。全集成型LDO線性穩(wěn)壓器可以用來為系統(tǒng)中各子模塊單獨供電，具有抑制電源噪聲,，減小干擾,，同時消除鍵合線電感引入的瞬態(tài)脈沖的優(yōu)點，此外還可以減小片外器件和芯片引腳,，所以全集成型LDO線性穩(wěn)壓器成為片上系統(tǒng)(SoC)型集成電路中不可或缺的模塊,。由于LDO的負載電流變化大，且調(diào)整管尺寸較大,，為滿足LDO的穩(wěn)定性要求,，必須對LDO進行頻率補償。傳統(tǒng)方法是利用負載電容的ESR進行補償,，但是,，全集成型LDO不允許使用片外電容，因此設(shè)計一個不需片外電容,，穩(wěn)定,，響應速度快的LDO是面臨的主要挑戰(zhàn)。
1 LDO原理與頻率補償
LDO線性穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由誤差放大器,，緩沖器，調(diào)整管M0,，分壓電阻RF1,，RF2，以及片外濾波電容C0和其寄生的等效串聯(lián)電阻RESR組成,。片外電容C0和RESR組成的零點用來抵消LDO中第2個極點,，從而達到環(huán)路穩(wěn)定。當沒有片外電容補償時,，由于輸出負載電流變化大,，LDO的輸出極點變化大，環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計變得困難,。Leung提出了衰減系數(shù)控制頻率補償法(Damping Factor Control Compen-sation,，DFC)和引入零點補償，在穩(wěn)定性,，響應時間方面具有較好的特性,。Milliken采用在調(diào)整管的輸入端和輸出端之間加入一個微分器，將調(diào)整管輸入節(jié)點和輸出節(jié)點的2個極點分離,，從而在只使用片內(nèi)電容時依然保持穩(wěn)定,。Kwok使用動態(tài)密勒電容補償技術(shù),，通過串聯(lián)一個在線性區(qū)工作的PMOS管作為動態(tài)可調(diào)電阻，在誤差放大器的輸出端引入一個動態(tài)零點抵消LDO的輸出極點,，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定,。本文中則采用在負載端引入零點，補償誤差放大器輸出極點的方法,，避免了為補償LDO輸出極點,，而需要大電容和動態(tài)調(diào)整電阻的要求，且減小了需要的補償電容值,，降低了芯片面積,。
2 電路設(shè)計
圖2為所設(shè)計的LDO線性穩(wěn)壓器電路，誤差放大器為折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),，由M1～M14組成,，M0為輸出調(diào)整管，反饋網(wǎng)絡(luò)由RF1,，RF2和CF1組成,，電容Cc為誤差放大器的補償電容。
圖2中電阻電容反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為：
這種反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了一個零點zf和一個較高的極點pf,，設(shè)置極點pf大于單位增益頻率,，即RF2//RF1>1/(CF1·pf)。
不施加片外電容時,，LDO的傳輸函數(shù)為：
式中：Ca,，roa為分別誤差放大器輸出a端的寄生電容和輸出電阻；gp0,，rp0分別為調(diào)整管M0的跨導和小信號輸出電阻,；Aamp為誤差放大器的增益。由式(7)增益L0隨著負載電流增大而降低,，而極點p1隨負載電流增大而升高,，極點p2基本保持不變，對于不施加片外電容,，其等效串聯(lián)電阻RESR所提供的零點不存在,，在輸出負載電流IOUT=0時，調(diào)整管輸出電阻rp0最大,，gmp0最小,，故小負載電流時，環(huán)路穩(wěn)定性變差,。為滿足LDO穩(wěn)定性要求,，IOUT必須有一個最小輸出電流，以保證M0的輸出極點P1不會太低,。為保證極點P2和零點zf相近而抵消,，須適當減小調(diào)整管M0尺寸,。在本應用中，LDO輸入電壓為2.5V,，用于為1.2V核心電路供電,，調(diào)整管M0的VDS=1.3V，所以M0可以取較小尺寸,。
本設(shè)計采用了一階溫度補償帶隙基準電壓源，圖4所示為帶隙基準電壓源的核心電路,，這里采用了典型的一階溫度補償電流模結(jié)構(gòu),。其中M1，M2和M3寬長比相同,，R1=R2,，A0為誤差放大器，誤差放大器的同相端接Va端,，反相端接Vb端,。為了保證電路的穩(wěn)定性，必須保證電路中由M1,，Q1和R1組成的正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)小于M2,，R2，Q0和R0組成的負反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù),，即要求：
運算放大器A0使Va,，Vb兩點電壓相等，忽略電阻的溫度系數(shù),，電流I0為PTAT電流,，I1為CTAT電流。通過選擇
,，可以得到-40～+85℃范圍內(nèi)溫度系數(shù)小于4.76ppm/℃,。
3 仿真驗證
該電路采用SMIC 0.25μm CMOS工藝實現(xiàn)，輸入電源電壓為2.5V,，輸出電壓為1.2V,，作為芯片模擬部分的電源。LDO的環(huán)路穩(wěn)定性采用Spectre stb仿真,，結(jié)果如圖5所示,，負載電流從1mA變化到100mA，整個系統(tǒng)相位裕度均在40°以上,，系統(tǒng)穩(wěn)定,。圖6為負載電流從1mA到100mA轉(zhuǎn)換時，輸出電壓和輸出電流瞬態(tài)響應曲線,。從圖中可以看出,，瞬態(tài)響應過沖小于20mV,，無振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生。圖6為仿真的電源電壓抑制比(PSRR),。低頻時PSRR好于75dB,。整個LDO包括基準電壓源共消耗靜態(tài)電流390μA。
4 結(jié)語
本文設(shè)計了一種全集成型LDO線性穩(wěn)壓器,，采用一種簡單的頻率補償電路,，通過輸出反饋電路引入零點，抵消了LDO產(chǎn)生第二個極點,，獲得較好的穩(wěn)定性,。此方法結(jié)構(gòu)簡單、不損失環(huán)路開環(huán)增益,、帶寬高,，而且所需要的補償電容小，節(jié)省芯片面積和輸出引腳,。