摘 要： 基于上華0.5 μm工藝設計了用于DC/DC的CMOS低壓差線性穩壓器,其輸入電壓為3.3 V，輸出電壓為1.2 V，最大輸出電流為100 mA; 提出了一種補償網絡，保證負載電流發生變化時，LDO具有高穩定性。此外，還設計了一種瞬態響應改善電路來提高負載瞬態響應。仿真結果表明，該 LDO在不同負載情況下的相位裕度均為80°，流片測試結果顯示瞬態響應良好。
關鍵詞： 補償網絡； 低壓差； 瞬態響應
眾所周知，穩定性是低壓差線性穩壓器的一個重要指標，傳統LDO通常采用ESR電阻與輸出電容串聯產生的零點來抵消次極點以保證穩定性[1-4]，但當負載電流變化很大時，次極點位置會發生顯著變化，導致ESR零點不能跟蹤極點的變化，從而影響LDO的穩定性。而且如果在負載電流跳變瞬間，輸出電壓欠沖或過沖則會直接影響后續電路模塊的正常工作[5]。本文設計的LDO主要用于DC/DC中帶隙基準參考源的輸出端，既可以達到濾波的目的，又可以提高輸出電壓的穩壓精度。該LDO線性穩壓器能夠在輸出端負載電流發生跳變時，一方面保證其輸出具有良好的瞬態響應能力，另一方面其環路增益和相位裕度不會發生太大變化。
1 補償網絡分析
圖1所示為本文提出的帶補償網絡的LDO結構，其中VIN為DC/DC輸入端電壓(為3.3 V），VREF為帶隙基準源提供的參考電壓(為1.2 V）。MP為P型調整管， M2～M5組成的負反饋可以將M1的漏極電壓箝位到與MP漏極電壓相同，從而使M1能夠準確地感應調整管MP的電流。當負載電流增大時，M1采樣到MP電流的變化，從而M2、M4電流增大，使得M4的Vgs增大， M6、M7電流增大，使得M8輸出電阻減少，從而M8與CC組成的零極點向高頻移動。同理，當輸出電流減少時，M8電阻增大，與CC組成的零極點向低頻移動。因此，M8相當于一個可調電阻，其阻值根據負載電流變化而變化，只要合理選擇電容CC和M8的尺寸就可以很好地跟蹤輸出端極點，能夠起到補償穩定性的作用。
2 LDO結構分析
圖3所示為LDO的整體結構圖。為了保證環路增益，誤差放大器的增益應該設計得足夠大。該LDO誤差放大器采用對稱式共源共柵電流鏡結構，能夠在很大程度上提高LDO的環路增益。由于LDO第二級采用的是PMOS形式的Buffer結構，對輸出電壓有一定的下拉作用，從而對負載電流增大導致的輸出電壓下跳具有改善作用，所以該瞬態響應改善電路主要是解決負載電流下降導致輸出電壓上跳的情況。圖中虛線框為本文提出的瞬態響應改善電路，由于M28與M29之間存在固有的失調，當負載電流保持不變或減少時，Q點為高電平，M30導通，通過M10向VG點注入電流，MP的柵極電壓增大，使得輸出電壓VOUT減小，從而減少了由于負載電流跳變而導致的上沖電壓；當負載電流增大時，輸出電壓下降，此時Q點為低電平，M30關閉，對電路沒有影響。
由第1節的分析可知，當負載電流增大時，次極點p2向高頻移動，通過反饋使得A點電壓下降，由于感應電容CF的存在，C點能快速跟隨A點變化，從而C點電壓以及M8的柵極電壓下降，導致M8的輸出電阻下降，從而z1瞬間向高頻移動，同理，當負載電流減少時，次極點p2向低頻移動，通過反饋使得A點電壓上升，通過CF，C點能快速跟隨A點變化，從而M8的柵極電壓升高，導致M8的輸出電阻增大，從而z1瞬間向低頻移動。所以，通過感應電容CF，補償零點z1能夠快速地跟隨p2，而不是經過M1～M7組成的負反饋，就能夠快速地補償負載電流跳變而帶來的穩定性問題。由于CF只有300 fF,所以對系統穩定性的影響可以忽略不計。
3 仿真和測試結果
圖4為負載電流分別為1 mA和100 mA時的LDO穩定性仿真圖。當負載電流為1 mA時，輸出極點和補償零點處在低頻處；當負載電流為100 mA時，補償零點跟隨輸出極點移到高頻處，環路增益和相位裕度分別為82 dB和80°。
圖5為LDO改進前后負載瞬態響應仿真結果對比，圖中上面波形為改進前(即未加瞬態響應提高電路)的LDO輸出電壓，中間波形為改進后(即加了瞬態響應提高電路)的LDO輸出電壓，下面波形為負載電流。由圖5可知，改進前的欠沖電壓(undershoot)和過沖電壓(overshoot)分別為199 mV和154 mV左右，改進后分別為81 mV和80 mV。
圖6為LDO負載電流在變化范圍50 mA～100 mA時瞬態響應測試結果，圖中上面波形為LDO的輸出電壓，下面波形為負載電流。由圖6可知，負載電流從100 mA跳變到50 mA時，輸出電壓過沖電壓為50 mV左右；負載電流從50 mA跳變到100 mA時，輸出電壓欠沖61 mV。
圖7為LDO負載電流在變化范圍1 mA～100 mA時的瞬態響應測試結果，圖中上面波形為LDO的輸出電壓，下面波形為負載電流。由圖7可知,負載電流從1 mA跳變到100 mA時，輸出電壓欠沖電壓為88 mV左右；負載電流從100 mA跳變到1 mA時，輸出電壓過沖97 mV。
在tt corner下，LDO參數仿真和測試的結果統計如表1所示。
通過以上分析和仿真結果可知，采用本文設計的補償網絡結構和瞬態響應改善電路獲得了高穩定性和快速瞬態響應的低壓差線性穩壓器,當負載電流在1 mA～100 mA變化時，LDO的相位裕度始終保持在80°左右，而且電源抑制比(PSRR)良好。通過樣片測試可知，undershoot和overshoot電壓都小于100 mV。因此，本文提出的瞬態響應改善電路和補償網絡對LDO的性能有很大程度的提高。
參考文獻
[1] 占世武.低壓差線性穩壓器的研究和設計[D].西安:西安電子科技大學,2011.
[2] HENG S,PHAM C K. Improvement of power supply rejection ratio of LDO deteriorated by reducing power consumption[C].Integrated Circuit Design and Technology Conference, Grenoble: FRANCE,2008(2):43-46.
[3] CHAVA C K, Silva-Martínez J. A frequency compensation scheme for LDO voltage regulators[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2004,51(6):1041-1050.
[4] 楊錦文,馮全源.基于嵌入式密勒補償技術的LDO放大器設計[J].微電子學與計算機，2006,23(3):1-4.
[5] LEUNG K N. Frequency compensarion in low-dropout regulafor[J]. The Hong Kong University of Science and Technology, 1998,31(4):841-847.