一種全集成型CMOS LDO線性穩(wěn)壓器設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種基于0．25 μm CMOS工藝的低功耗片內(nèi)全集成型LDO線性穩(wěn)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，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(fù)雜補償電路的要求。該方法電路結(jié)構(gòu)簡單，芯片占用面積小，無需片外電容。Spectre仿真結(jié)果表明：工作電壓為2．5 V，電路在較寬的頻率范圍內(nèi)，電源抑制比約為78 dB，負(fù)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(tài)電流為390μA。
關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓電路；頻率補償；頻率穩(wěn)定性；瞬態(tài)響應(yīng)

0 引言
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)／?；旌系钠舷到y(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(fù)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(jìn)行頻率補償。傳統(tǒng)方法是利用負(fù)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(shè)計一個不需片外電容，穩(wěn)定，響應(yīng)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(dá)到環(huán)路穩(wěn)定。當(dāng)沒有片外電容補償時，由于輸出負(fù)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(yīng)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(fù)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：