隨著過(guò)去幾十年里掌上智能終端快速發(fā)展，低壓差的線性穩(wěn)壓器（Low Drop-out Regulator，LDO）因其具有低功耗、高的電源抑制比、體積小、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到大量應(yīng)用。LDO大部分時(shí)間工作在低負(fù)載應(yīng)用，因此，其在低負(fù)載情況下的靜態(tài)電流消耗決定著電池的壽命。當(dāng)今的LDO發(fā)展趨勢(shì)是低電壓、低靜態(tài)電流來(lái)延長(zhǎng)電池使用壽命。然而，低靜態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性，帶來(lái)大的輸出電壓暫態(tài)變化，必須在靜態(tài)電流和輸出暫態(tài)特性進(jìn)行合理的折中。相比于傳統(tǒng)LDO采用分立結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器，本文給出一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的LDO，將帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器兩個(gè)模塊合二為一，因此更容易實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流消耗，低暫態(tài)電壓變化。
1 LDO電路分析
圖1給出精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的LDO，僅僅包括4條主要的電流支路，分別是：增益級(jí)、緩沖級(jí)和2個(gè)PTAT電流源。
相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LDO，精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)將帶隙基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器合二為一，因此在其他性能不變情況下，可將電路靜態(tài)電流消耗減小到原來(lái)1 2 左右。
這個(gè)電路存在兩個(gè)缺點(diǎn)：輸出電壓為帶隙基準(zhǔn)電壓不可調(diào)；需要使用NPN晶體管，而標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中并不存在NPN晶體管。由于如今的SoC趨向工作在低電壓環(huán)境，因此這種結(jié)構(gòu)能夠有充足的應(yīng)用場(chǎng)合。第二個(gè)問(wèn)題在單片設(shè)計(jì)時(shí)候，采用雙阱CMOS工藝，只需增加一道掩膜工藝，費(fèi)用增加不多，因此兩個(gè)問(wèn)題實(shí)際應(yīng)用并不明顯。
1.1 帶隙基準(zhǔn)電壓分析
三極管基射級(jí)電壓和熱力學(xué)電壓分別具有負(fù)、正溫度系數(shù)，因此帶隙基準(zhǔn)電壓的原理是疊加三極管基射級(jí)電壓和熱力學(xué)溫度電壓，達(dá)到在室溫下的零溫度系數(shù)。
在精簡(jiǎn)LDO結(jié)構(gòu)中，晶體管Q3和電阻R2定義帶隙基準(zhǔn)電壓，流過(guò)R2為PTAT電流。通過(guò)鏡像流過(guò)晶體管Q1電流。晶體管Q3偏置到集電極電流。因此，在環(huán)路中，晶體管Q1和Q3將調(diào)整到相同的基射級(jí)電壓值。尤其環(huán)路比較高的情況下，這種調(diào)整是相當(dāng)精確的。因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電阻R2和R3，晶體管Q1，Q2和Q3有相同的集電極電流。因此：
式中：IS 是三極管飽和電流；β2 是晶體管Q2的電流增益；n 是晶體管Q2和Q1射級(jí)面積比。通過(guò)式（1）可以得到PTAT電流：
因此通過(guò)晶體管Q3的基射級(jí)電壓和R2電壓疊加即可得到輸出電壓值：
調(diào)整電阻比值，使VT 系數(shù)
值為17.2，即可得到溫度系數(shù)為零的帶隙基準(zhǔn)電壓。
1.2 LDO頻率分析
精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)LDO中包含三個(gè)低頻極點(diǎn)，分別處在增益級(jí)的輸出，緩沖級(jí)的輸出和LDO的輸出節(jié)點(diǎn)，分別如下：
式中：ro1 和C1 分別是增益級(jí)輸出電阻和負(fù)載電容；ro2是緩沖級(jí)輸出電阻；Cpar 是功率管寄身電容；rop 是LDO輸出級(jí)的等效電阻；CL 為輸出負(fù)載補(bǔ)償電容。為了保證LDO有個(gè)良好的輸出暫態(tài)特性，CL 取值一般很大，因此極點(diǎn)p3 為L(zhǎng)DO環(huán)路的主極點(diǎn)。晶體管Q3集電極電流偏置為PTAT電流，因此增益級(jí)的輸出阻抗隨輸出負(fù)載電流和輸入電壓變化不大，同時(shí)增益級(jí)的負(fù)載電容主要由緩沖級(jí)輸入電容決定，所以極點(diǎn)p1 位置相對(duì)穩(wěn)定，故可以采用一個(gè)左半平面的零點(diǎn)補(bǔ)償。類似如傳統(tǒng)LDO，本文采用一個(gè)電阻resr 與輸出補(bǔ)償電容串聯(lián)方式，獲得一個(gè)左半平面零點(diǎn)：
基于上述分析，精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)LDO的開(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)為：
式中
.其中：gmQ2 ，gmQ3 和gmp 分別代表晶體管Q2，Q3和功率管的跨導(dǎo)；Rπ 3 是晶體管Q3的輸入電阻。當(dāng)p1 和z1 匹配比較精確，LDO環(huán)路只有兩個(gè)低頻極點(diǎn)p2 和p3 。因此，為了獲得60°的相位裕度，必須：
2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文所提的低電壓、低靜態(tài)電流的精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的LDO如圖2所示。LDO的輸出級(jí)是一個(gè)A類共源級(jí)電路，包括PMOS功率管M1，三極管Q1、Q2，電阻R1，R2，R3，Resr和輸出負(fù)載補(bǔ)償電容C1.功率管M1有非常大的寬長(zhǎng)比來(lái)驅(qū)動(dòng)比較大的負(fù)載電流。因此M1的溝長(zhǎng)選取最小的值，達(dá)到盡可能小的寄身電容和尺寸面積。為了獲取好的暫態(tài)輸出特性以及環(huán)路穩(wěn)定，輸出補(bǔ)償電容取5 μF.帶隙基準(zhǔn)電路包括三極管Q1，Q2，Q3和電阻R1，R2，R3.選取Q2的射級(jí)面積為Q1和Q3的射級(jí)面積8倍，這是Q2面積和R2阻值折中結(jié)果。三極管Q3和晶體管M6構(gòu)成一個(gè)共集電極的電路，為環(huán)路提供高增益。緩沖級(jí)包括晶體管M2，M3和M4.因?yàn)镹MOS源跟隨器，在低負(fù)載情況下并不能完全關(guān)斷功率管，PMOS源跟隨器并不適合本電路的1.35低電壓環(huán)境，所以選用了二極管連結(jié)的PMOS負(fù)載共源級(jí)電路作為緩沖級(jí)。這種結(jié)構(gòu)不僅獲得低的輸出阻抗，同時(shí)達(dá)到180°的相位偏移，使整個(gè)閉環(huán)環(huán)路構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋。M3作用是在低負(fù)載電流的情況是為M4提供一些偏置電流，否則可能出現(xiàn)M4的柵源電壓過(guò)低，導(dǎo)致三極管Q3進(jìn)入飽和狀態(tài)，降低Q3的電流增益，影響帶隙基準(zhǔn)電壓的精確度。通過(guò)Q4和M7構(gòu)成的偏置電路，使得三極管Q1，Q3有相等的集電極電流。晶體管M5，M8和M9構(gòu)成LDO的啟動(dòng)電路。在剛有電壓輸入情況下，M8和M9構(gòu)成一個(gè)反相器輸出一個(gè)低電壓信號(hào)，使M5導(dǎo)通來(lái)啟動(dòng)整個(gè)電路。
3 電路仿真結(jié)果
基于CSMC 0.5 μm 雙阱CMOS 工藝仿真模型，采用Cadence仿真軟件對(duì)精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)LDO進(jìn)行了三個(gè)工藝角（tt，ff，ss）下仿真驗(yàn)證。這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的是讓LDO驅(qū)動(dòng)最大30 mA的負(fù)載電流，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定在1.14 V，輸入電壓最小為1.35 V.LDO 的溫漂曲線如圖3所示。
通過(guò)采用補(bǔ)償電容外接串聯(lián)電阻的方法，創(chuàng)造一個(gè)左半平面的零點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償一個(gè)非主極點(diǎn)，讓電路獲得比較好的環(huán)路相位裕度，在三個(gè)工藝角下，相位裕度都能達(dá)到70°（見(jiàn)圖4）。
暫態(tài)輸出電壓變化如圖5所示，當(dāng)負(fù)載電流從0~30 mA瞬態(tài)變化時(shí)，輸出電壓變化最大僅為9 mV.
4 結(jié)語(yǔ)
本文給出了一種低電壓1.14 V、低靜態(tài)電流1.7 μA 的LDO，通過(guò)將帶隙基準(zhǔn)電壓源與誤差放大器合二為一獲得精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的LDO.
因此實(shí)現(xiàn)了低靜態(tài)電流消耗，同時(shí)獲得較好的暫態(tài)輸出電壓性能，最大暫態(tài)電壓變化僅為9 mV.
