一種全集成型CMOS LDO線性穩壓器設計

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線性穩壓電路。電路采用由電阻電容反饋網絡在LDO輸出端引入零點，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，而需要大電容或復雜補償電路的要求。該方法電路結構簡單，芯片占用面積小，無需片外電容。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到滿載100 mA變化時，相位裕度大于40°，LDO和帶隙電壓源的總靜態電流為390μA。
關鍵詞：線性穩壓電路；頻率補償；頻率穩定性；瞬態響應

0 引言
隨著便攜式電子設備的廣泛使用，系統集成度越來越高。對于數／模混合的片上系統中，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／模混合帶來的相互干擾以及動態調整功耗。全集成型LDO線性穩壓器可以用來為系統中各子模塊單獨供電，具有抑制電源噪聲，減小干擾，同時消除鍵合線電感引入的瞬態脈沖的優點，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，為滿足LDO的穩定性要求，必須對LDO進行頻率補償。傳統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，因此設計一個不需片外電容，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，從而達到環路穩定。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)和引入零點補償，在穩定性，響應時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微分器，將調整管輸入節點和輸出節點的2個極點分離，從而在只使用片內電容時依然保持穩定。Kwok使用動態密勒電容補償技術，通過串聯一個在線性區工作的PMOS管作為動態可調電阻，在誤差放大器的輸出端引入一個動態零點抵消LDO的輸出極點，實現系統穩定。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，反饋網絡由RF1，RF2和CF1組成，電容Cc為誤差放大器的補償電容。
圖2中電阻電容反饋網絡的傳輸函數為：