一种全集成型CMOS LDO的设计

2012-12-16

引言
随着便携式电子设备的广泛使用，系统集成度越来越高。对于数／模混合的片上系统中，数字电路对模拟电路的干扰加大，因此模拟电路与数字电路需要施加独立电源，以减小数／模混合带来的相互干扰以及动态调整功耗。全集成型LDO线性稳压器可以用来为系统中各子模块单独供电，具有抑制电源噪声，减小干扰，同时消除键合线电感引入的瞬态脉冲的优点，此外还可以减小片外器件和芯片引脚，所以全集成型LDO线性稳压器成为片上系统(SoC)型集成电路中不可或缺的模块。由于LDO的负载电流变化大，且调整管尺寸较大，为满足LDO的稳定性要求，必须对LDO进行频率补偿。传统方法是利用负载电容的ESR进行补偿，但是，全集成型LDO不允许使用片外电容，因此设计一个不需片外电容，稳定，响应速度快的LDO是面临的主要挑战。

1 LDO原理与频率补偿
LDO线性稳压器的传统电路结构如图1所示，由误差放大器，缓冲器，调整管M0，分压电阻RF1，RF2，以及片外滤波电容C0和其寄生的等效串联电阻RESR组成。片外电容C0和RESR组成的零点用来抵消LDO中第2个极点，从而达到环路稳定。当没有片外电容补偿时，由于输出负载电流变化大，LDO的输出极点变化大，环路稳定性设计变得困难。Leung提出了衰减系数控制频率补偿法(Damping Factor Control Compen-sation，DFC)和引入零点补偿，在稳定性，响应时间方面具有较好的特性。Milliken采用在调整管的输入端和输出端之间加入一个微分器，将调整管输入节点和输出节点的2个极点分离，从而在只使用片内电容时依然保持稳定。Kwok使用动态密勒电容补偿技术，通过串联一个在线性区工作的PMOS管作为动态可调电阻，在误差放大器的输出端引入一个动态零点抵消LDO的输出极点，实现系统稳定。本文中则采用在负载端引入零点，补偿误差放大器输出极点的方法，避免了为补偿LDO输出极点，而需要大电容和动态调整电阻的要求，且减小了需要的补偿电容值，降低了芯片面积。

图2 LDO中电阻电容反馈网络

2 电路设计
图2为所设计的LDO线性稳压器电路，误差放大器为折叠式共源共栅结构，由M1～M14组成，M0为输出调整管，反馈网络由RF1，RF2和CF1组成，电容Cc为误差放大器的补偿电容。
图2中电阻电容反馈网络的传输函数为：

这种反馈网络产生了一个零点zf和一个较高的极点pf，设置极点pf大于单位增益频率，即RF2／／RF1>1／(CF1·pf)。
不施加片外电容时，LDO的传输函数为：

式中：Ca，roa为分别误差放大器输出a端的寄生电容和输出电阻；gp0，rp0分别为调整管M0的跨导和小信号输出电阻；Aamp为误差放大器的增益。由式(7)增益L0随着负载电流增大而降低，而极点p1随负载电流增大而升高，极点p2基本保持不变，对于不施加片外电容，其等效串联电阻RESR所提供的零点不存在，在输出负载电流IOUT=0时，调整管输出电阻rp0最大，gmp0最小，故小负载电流时，环路稳定性变差。为满足LDO稳定性要求，IOUT必须有一个最小输出电流，以保证M0的输出极点P1不会太低。为保证极点P2和零点zf相近而抵消，须适当减小调整管M0尺寸。在本应用中，LDO输入电压为2．5 V，用于为1．2 V核心电路供电，调整管M0的VDS=1．3 V，所以M0可以取较小尺寸。

本设计采用了一阶温度补偿带隙基准电压源，图4所示为带隙基准电压源的核心电路，这里采用了典型的一阶温度补偿电流模结构。其中M1，M2和M3宽长比相同，R1=R2，A0为误差放大器，误差放大器的同相端接Va端，反相端接Vb端。为了保证电路的稳定性，必须保证电路中由M1，Q1和R1组成的正反馈网络的反馈系数小于M2，R2，Q0和R0组成的负反馈网络的反馈系数，即要求：

运算放大器A0使Va，Vb两点电压相等，忽略电阻的温度系数，电流I0为PTAT电流，I1为CTAT电流。通过选择，可以得到-40～+85℃范围内温度系数小于4．76ppm／℃。

3 仿真验证
该电路采用SMIC 0．25μm CMOS工艺实现，输入电源电压为2．5 V，输出电压为1．2 V，作为芯片模拟部分的电源。LDO的环路稳定性采用Spectre stb仿真，结果如图5所示，负载电流从1 mA变化到100 mA，整个系统相位裕度均在40°以上，系统稳定。图6为负载电流从1 mA到100 mA转换时，输出电压和输出电流瞬态响应曲线。从图中可以看出，瞬态响应过冲小于20 mV，无振铃现象产生。图6为仿真的电源电压抑制比(PSRR)。低频时PSRR好于75 dB。整个LDO包括基准电压源共消耗静态电流390 μA。