摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于電容倍增的無(wú)電容式LDO,，將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級(jí)，提升了系統(tǒng)的環(huán)路帶寬,，有良好的瞬態(tài)響應(yīng),。電路通過(guò)0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果顯示,，系統(tǒng)靜態(tài)功耗為42 W,，當(dāng)負(fù)載從0~50 mA變化時(shí)，電壓最大波動(dòng)為87 mV,，建立時(shí)間為2.5 s,。

　　關(guān)鍵詞： LDO,；電容倍增；瞬態(tài)響應(yīng)

0 引言

　　作為電源管理芯片中重要的一員,，低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout regulator，LDO）因其紋波低,、噪聲低,、體積小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到各種便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)、PDA等）中,。傳統(tǒng)的LDO利用片外大電容穩(wěn)定其輸出電壓,，但是不易于系統(tǒng)集成[1-3]。與傳統(tǒng)的LDO相比,，無(wú)電容式LDO不需要較大的片外電容,，易于系統(tǒng)集成，然而其穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn),。為了保證無(wú)電容式LDO的穩(wěn)定性,，通常利用米勒效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)分類(lèi)，為了達(dá)到足夠的相位裕度,，通常需要采用較大的米勒補(bǔ)償電容,，消耗較大的芯片面積。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種經(jīng)典的電容倍增技術(shù),，但是其電容倍增系數(shù)受到電流鏡電流之比的限制,；參考文獻(xiàn)[5]提出的電容倍增技術(shù)能提高電容倍增系數(shù)，有效地減小所需補(bǔ)償電容的面積,，但由于誤差放大器輸出節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)性,，為系統(tǒng)引入了失調(diào)，影響了LDO的線性調(diào)整率,。

　　本文提出LDO結(jié)構(gòu),，將電容倍增技術(shù)嵌入到第一級(jí)，使得第一級(jí)完全對(duì)稱(chēng),，且能提高環(huán)路帶寬,，提高了環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)速度，電路采用0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn),。

1 電容倍增技術(shù)

　　參考文獻(xiàn)[1]提出的電容倍增技術(shù)如圖1（a）所示,，該技術(shù)基于電流模式實(shí)現(xiàn)，其原理為：采樣流過(guò)電容的電流,，通過(guò)電流鏡實(shí)現(xiàn)放大后再反饋到電容的另一端,，以實(shí)現(xiàn)電容倍增效果。其等效電容為（1+k）,，其中k為電流鏡的放大系數(shù),。

　　參考文獻(xiàn)[2]采用的電容倍增技術(shù)如圖1（b）所示,，在M1的柵極和漏極之間插入了一個(gè)電阻Re，同樣能實(shí)現(xiàn)自偏置效果,，無(wú)需額外的偏置電路,。A點(diǎn)仍為低阻節(jié)點(diǎn)，但是B點(diǎn)不再是低阻節(jié)點(diǎn),，因此流過(guò)Cm的電流通過(guò)Re和M1放大成電壓V1,，然后通過(guò)M2再次轉(zhuǎn)換成電流。其等效電容可表示為：

　　Ceq=（1+k）gm1RbCm（1）

　　從式（1）可以看出,，其等效電容與參考文獻(xiàn)[1]中提出的電容倍增技術(shù)相比,，提高了gm1Re倍，因此對(duì)于固定的負(fù)載電容,，所需要的片上補(bǔ)償電容大大減小,。

2 LDO電路設(shè)計(jì)

　　本文提出的LDO結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括三部分,。第一級(jí)全對(duì)稱(chēng)的運(yùn)算放大器由M0~M8和電阻Re組成,，其中包括由M3、Re,、M5和M4,、Re、M6組成的電容倍增模塊,，該模塊嵌入第一級(jí),，與參考文獻(xiàn)[2]相比，功耗減小了,。同時(shí)第一級(jí)為完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),，因此能減小失調(diào)。第二級(jí)運(yùn)算放大器由功率管Mp和采樣電阻組成,。第三部分為頻率補(bǔ)償部分,。Vref為帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓；Cm為米勒補(bǔ)償電容,；RL為負(fù)載電阻,；CL為負(fù)載電容，為100 pF,。

　　為了分析環(huán)路的穩(wěn)定性,，求出其傳輸函數(shù)為：

　　其中，gmi為Mi的跨導(dǎo),，R1為第一級(jí)輸出電阻,，Ro為第二級(jí)輸出阻抗，C1為第一級(jí)輸出電容,，其值分別為：

　　Ro=（R1+R1）//Rp//RL（3）

　　C1=Cgs_p+ApassCgd_p（4）

　　Adc和pd為運(yùn)算放大器的直流增益和主極點(diǎn),，分別為：

　　Adc=kgm1gmpR1Ro（5）

　　由式（7）可以看出,，本文提出的LDO結(jié)構(gòu)具有大的電容倍增系數(shù)，同時(shí)與參考文獻(xiàn)[5]相比,，GBW提升了k倍,，因此具有更好的瞬態(tài)特性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證本文所提出的LDO的合理性,，對(duì)圖2所示的電路采用0.13 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真驗(yàn)證,，當(dāng)工作溫度為25℃、輸入電壓為1.2 V,、輸出電壓為1 V,、負(fù)載電容為100 pF時(shí),，由于采用了本文提出的電容倍增技術(shù),，片上補(bǔ)償電容僅為0.8 pF?？蛰d和負(fù)載為50 mA時(shí),，LDO環(huán)路頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

　　仿真結(jié)果顯示,，在0~50 mA全負(fù)載范圍內(nèi),，最小增益為45.66 dB，單位增益帶寬為570 kHz,，相位裕度為60°,，反饋環(huán)路具有很好的穩(wěn)定性。同時(shí)由于將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級(jí),，因此提高了環(huán)路的單位增益帶寬,。

　　當(dāng)負(fù)載從空載跳到50 mA然后再跳回空載時(shí)，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)如圖4所示,。仿真結(jié)果顯示,，上沖電壓為87 mV，調(diào)整時(shí)間為2.5 s,；下沖電壓為49 mV,，調(diào)整時(shí)間為2.0 s，由于系統(tǒng)單位增益帶寬得到了提升,，因此具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性,。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的LDO，分析了電容倍增技術(shù)的原理,，且將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級(jí),，提升了系統(tǒng)的環(huán)路帶寬，有良好的瞬態(tài)響應(yīng),。電路通過(guò)0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn),，結(jié)果顯示,，系統(tǒng)靜態(tài)功耗為42 W，當(dāng)負(fù)載在全負(fù)載范圍變化時(shí),，電壓波動(dòng)最大為87 mV,，建立時(shí)間為2.5 s，能夠滿足SoC系統(tǒng)中供電電源的要求,。

　　參考文獻(xiàn)

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