一種全集成型CMOS LDO線(xiàn)性穩壓器設計

摘要：設計了一種基于0．25 μm CMOS工藝的低功耗片內全集成型LDO線(xiàn)性穩壓電路。電路采用由電阻電容反饋網(wǎng)絡(luò )在LDO輸出端引入零點(diǎn)，補償誤差放大器輸出極點(diǎn)的方法，避免了為補償LDO輸出極點(diǎn)，而需要大電容或復雜補償電路的要求。該方法電路結構簡(jiǎn)單，芯片占用面積小，無(wú)需片外電容。Spectre仿真結果表明：工作電壓為2．5 V，電路在較寬的頻率范圍內，電源抑制比約為78 dB，負戢電流由1 mA到滿(mǎn)載100 mA變化時(shí)，相位裕度大于40°，LDO和帶隙電壓源的總靜態(tài)電流為390μA。
關(guān)鍵詞：線(xiàn)性穩壓電路；頻率補償；頻率穩定性；瞬態(tài)響應

0 引言
隨著(zhù)便攜式電子設備的廣泛使用，系統集成度越來(lái)越高。對于數／?；旌系钠舷到y中，數字電路對模擬電路的干擾加大，因此模擬電路與數字電路需要施加獨立電源，以減小數／?；旌蠋?lái)的相互干擾以及動(dòng)態(tài)調整功耗。全集成型LDO線(xiàn)性穩壓器可以用來(lái)為系統中各子模塊單獨供電，具有抑制電源噪聲，減小干擾，同時(shí)消除鍵合線(xiàn)電感引入的瞬態(tài)脈沖的優(yōu)點(diǎn)，此外還可以減小片外器件和芯片引腳，所以全集成型LDO線(xiàn)性穩壓器成為片上系統(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，且調整管尺寸較大，為滿(mǎn)足LDO的穩定性要求，必須對LDO進(jìn)行頻率補償。傳統方法是利用負載電容的ESR進(jìn)行補償，但是，全集成型LDO不允許使用片外電容，因此設計一個(gè)不需片外電容，穩定，響應速度快的LDO是面臨的主要挑戰。

1 LDO原理與頻率補償
LDO線(xiàn)性穩壓器的傳統電路結構如圖1所示，由誤差放大器，緩沖器，調整管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(diǎn)用來(lái)抵消LDO中第2個(gè)極點(diǎn)，從而達到環(huán)路穩定。當沒(méi)有片外電容補償時(shí)，由于輸出負載電流變化大，LDO的輸出極點(diǎn)變化大，環(huán)路穩定性設計變得困難。Leung提出了衰減系數控制頻率補償法(Damping Factor Control Compen-sation，DFC)和引入零點(diǎn)補償，在穩定性，響應時(shí)間方面具有較好的特性。Milliken采用在調整管的輸入端和輸出端之間加入一個(gè)微分器，將調整管輸入節點(diǎn)和輸出節點(diǎn)的2個(gè)極點(diǎn)分離，從而在只使用片內電容時(shí)依然保持穩定。Kwok使用動(dòng)態(tài)密勒電容補償技術(shù)，通過(guò)串聯(lián)一個(gè)在線(xiàn)性區工作的PMOS管作為動(dòng)態(tài)可調電阻，在誤差放大器的輸出端引入一個(gè)動(dòng)態(tài)零點(diǎn)抵消LDO的輸出極點(diǎn)，實(shí)現系統穩定。本文中則采用在負載端引入零點(diǎn)，補償誤差放大器輸出極點(diǎn)的方法，避免了為補償LDO輸出極點(diǎn)，而需要大電容和動(dòng)態(tài)調整電阻的要求，且減小了需要的補償電容值，降低了芯片面積。

2 電路設計
圖2為所設計的LDO線(xiàn)性穩壓器電路，誤差放大器為折疊式共源共柵結構，由M1～M14組成，M0為輸出調整管，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 )的傳輸函數為：