LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器具有噪聲低、功耗低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信終端、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品中。當(dāng)輸入電壓在一定范圍內(nèi)，在允許的負(fù)載范圍下，LDO能夠保證輸出電壓穩(wěn)定，提高電池壽命111.電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對(duì)LDO的諸多性能提出了越來(lái)越高的要求，如寬負(fù)載電流范圍下的穩(wěn)定性、輸出電壓范圍和精度、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和靜態(tài)電流等。

　　本文設(shè)計(jì)了一種全反饋模式的高穩(wěn)定性L(fǎng)DO線(xiàn)性穩(wěn)壓器，用以提高LDO系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間、輸出電壓范圍和精度，并減小靜態(tài)電流、噪聲和芯片面積。

　　2傳統(tǒng)LDO性能分析所示為傳統(tǒng)的LDO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)21，主要由誤差放大器OPA、調(diào)整管Mp、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)R1和R2組成。其中，Vrf是輸入基準(zhǔn)電壓，Rl、和Resr分別是負(fù)載電阻、負(fù)載電容和寄生電阻Gd、Gar、Rds和Ro是2.1直流特性分析在LDO中，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將調(diào)整管輸出電壓反饋到誤差放大器輸入端，誤差放大器將輸入基準(zhǔn)電壓和反饋電壓的差值放大并輸出到調(diào)整管柵極，從而通過(guò)控制調(diào)整管輸出電流穩(wěn)定輸出電壓。電阻反饋網(wǎng)絡(luò)Ri和R2直接影響調(diào)整管的靜態(tài)電流、輸出電壓精度和噪聲等。Ri和R2較小時(shí)，調(diào)整管的靜態(tài)電流和功耗增加；1和R2較大時(shí)，輸出噪聲和芯片面積增大。同時(shí)，反饋電阻隨溫度等因素的漂移直接影響輸出電壓精度。

　　要使Mp1和Mn1晶體管工作在飽和區(qū)，輸入基準(zhǔn)電壓Vefp和Vefn需要滿(mǎn)足：其中，V和Vthn分別是Mp1和Mn1的閾值電壓Vdp、Vp和Vdn、Vn分別是Mp1和Mn1的漏極電壓和源極電壓。由于電壓Vdp?IVI能低至地電壓GND其輸入基準(zhǔn)V可以低至GND；然而，當(dāng)Vep高于VP IVftpI時(shí)，晶體管Mp1會(huì)進(jìn)入截止區(qū)。同樣，電壓Vdn+Vtn能高至電源電壓Vdi，其輸入基準(zhǔn)Vrefn可以高至；然而當(dāng)Vefn低于V.n+Vthn時(shí)，晶體管Mn1會(huì)進(jìn)入截止區(qū)。因傳統(tǒng)誤差放大器的共模電壓輸入范圍限制了輸入基準(zhǔn)Vrfn和Vrefp的范圍。

　　2.2交流特性分析所示的傳統(tǒng)LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器中，結(jié)點(diǎn)A處的C和Rl會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻極點(diǎn)尸1，同時(shí)節(jié)點(diǎn)B處誤差放大器的輸出阻抗R.和調(diào)整管柵極寄生電容CV引入另一個(gè)低頻極點(diǎn)P2.另外，負(fù)載電容C及其寄生電阻Resr會(huì)引入一個(gè)零點(diǎn)Zk所以，在單位增益帶寬內(nèi)，至少有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)需要考慮，其零極點(diǎn)和直流增益可表達(dá)為：理論上，Z1零點(diǎn)可以抵消第一非主極點(diǎn)P2，使得在單位增益帶寬內(nèi)只有一個(gè)主極點(diǎn)P1，但實(shí)際上并不能保證LDO穩(wěn)定工作。調(diào)整管輸出阻抗Rds與負(fù)載電流成反比，跨導(dǎo)gn與負(fù)載電流的平方根成正比，因而極點(diǎn)P1與負(fù)載電流成正比，而直流增益A.與負(fù)載電流的平方根成反比。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，主極點(diǎn)P1增加的速度快于直流增益A.減小的速度，即單位增益帶寬會(huì)隨負(fù)載電流的增加而增加。此時(shí)，一些中高頻的寄生極點(diǎn)就可能進(jìn)入單位增益帶寬之內(nèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)相位裕度降低。另外，在很多情況下，輸出電容的等效串聯(lián)電阻Resr的值很難選取，且阻值隨溫度而變化。所以，在寬輸出負(fù)載電流的情況下，負(fù)載電容等效串聯(lián)電阻補(bǔ)嘗方法將不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　2.3瞬態(tài)特性分析當(dāng)負(fù)載電流從0跳變到Imax時(shí)，輸出電容Co，t給負(fù)載供電，從而導(dǎo)致在輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓跳變量AFornax，跳變值由電阻反饋網(wǎng)絡(luò)送到誤差放大器輸入端，誤差放大器將輸入基準(zhǔn)電壓和反饋電壓的差值放大并提供給調(diào)整管柵極，從而使調(diào)整管輸出電流作出相應(yīng)變化，以滿(mǎn)足負(fù)載電流要求，比較終系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)，此時(shí)輸出電壓恢復(fù)到原有大小。在此過(guò)程中，輸出電壓的跳變量么卜和環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間么分別為：為了減小比較大輸出電壓跳變值和環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，常利用大負(fù)載電容CO，。然而，大負(fù)載電容會(huì)增大實(shí)際電路面積，不利于SOC設(shè)計(jì)。隨著電路工作速度和電流需求量的提高，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)，穩(wěn)壓器保持輸出電壓穩(wěn)定成為一個(gè)廣泛存在的問(wèn)題。

　　3全反饋LDO設(shè)計(jì)與性能分析傳統(tǒng)LDO中存在的不足需要在不降低LDO其他性能的前提下克服。為此，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器，如所示。它包括軌至軌誤差放大器、緩沖電路、PMOS調(diào)整管、全反饋網(wǎng)絡(luò)、跨多級(jí)雙密勒電容補(bǔ)償、負(fù)載。給出了全反饋LDO的核心電路，下面介紹全反饋LDO的具體設(shè)計(jì)及性能。

　　3.1軌至軌誤差放大器為了擴(kuò)大輸入基準(zhǔn)電壓和反饋電壓范圍，提高系統(tǒng)信噪比，誤差放大器共模電壓輸入范圍應(yīng)該盡可能接近從GND到Vdd.PMOS對(duì)管和NMOS對(duì)管并聯(lián)作為輸入級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)從GND到Vdd的共模輸入范圍6.中，M3和M4組成的NMOS差分輸入對(duì)可以滿(mǎn)足高至Vdd的輸入，M1和M2組成的PMOS差分輸入對(duì)可以滿(mǎn)足低至GND的輸入。

　　輸入共模電壓較低時(shí)，PMOS差分對(duì)工作；輸入電壓較高時(shí)，NMOS差分對(duì)工作；輸入電壓在中間時(shí)，兩對(duì)管子同時(shí)工作。因此，差分對(duì)管并聯(lián)輸入的誤差放大器可以實(shí)現(xiàn)共模電壓軌至軌輸入。

　　為了提高誤差放大器的增益和電源抑制比，減少誤差放大器引入的極點(diǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并提高輸出擺幅，誤差放大器采用軌至軌折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。其中，軌至軌結(jié)構(gòu)可以提高誤差放大器輸出擺幅；電流鏡晶體管M7、M8和M13、M14同時(shí)也是并聯(lián)輸入差分對(duì)的有源負(fù)載，使得輸出電阻較大，既提高了放大器的增益和電源抑制比，也減小了誤差放大器引入的極點(diǎn)數(shù)，并把誤差放大器與后級(jí)間極點(diǎn)推到了高頻；M10和M12實(shí)現(xiàn)了雙端變單端。3.2全反饋網(wǎng)絡(luò)為了提高LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器輸出電壓精度，克服電阻反饋網(wǎng)絡(luò)引入的問(wèn)題，本文提出一種新穎的全反饋網(wǎng)絡(luò)，取代電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，如所示。在全反饋網(wǎng)絡(luò)中，NMOS晶體管M18用作電流源負(fù)載，Vb7為其提供柵極電壓。M18代替電阻網(wǎng)絡(luò)為調(diào)整管提供直流通路，可以為調(diào)整管提供穩(wěn)定且小的靜態(tài)電流。輸出電壓直接由M18的漏極全反饋到誤差放大器輸入端，全反饋LDO輸出電壓滿(mǎn)足：于本系統(tǒng)中誤差放大器可以實(shí)現(xiàn)軌至軌輸入，從而保證Vrf和V/可以軌至軌輸入，所以Vo，t輸出電壓能實(shí)現(xiàn)GND到Vdd的寬輸出范圍。因?yàn)槿答伨W(wǎng)絡(luò)用NMOS晶體管作負(fù)載，替代了電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，不用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，可以為L(zhǎng)DO系統(tǒng)節(jié)省較大的芯片面積，同時(shí)避免了輸出電阻給系統(tǒng)引入的噪聲。

　　電流源M18不像電阻會(huì)受溫度的較大影響，所以全反饋網(wǎng)絡(luò)可以提高LDO輸出電壓精度。

　　3.3穩(wěn)定性分析在前面的討論中指出，所示的LDO有Pi和P2兩個(gè)低頻極點(diǎn)。在的全反饋LDO中，誤差放大器和調(diào)整管之間插入的緩沖電路包括源跟隨器M15，P2被分裂成分別位于節(jié)點(diǎn)B和C的兩個(gè)Rbf）由于Rbf很小，所以，P"2位于系統(tǒng)單位增益帶寬之外。在小信號(hào)分析中，CWr可以忽略。為了保證系統(tǒng)在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，系統(tǒng)采用跨多級(jí)雙密勒電容補(bǔ)償方式。如所示，兩個(gè)補(bǔ)償電容一端接到LDO輸出，另一端分別接到兩個(gè)折疊式共源共柵放大器的兩級(jí)之間，即對(duì)稱(chēng)地接到軌至軌誤差放大器內(nèi)部，兩個(gè)密勒補(bǔ)償電容均跨三級(jí)。為了分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給出全反饋LDO的小信號(hào)模型8，如所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳輸函數(shù)得到的零極點(diǎn)進(jìn)行分析，跨多級(jí)雙密勒補(bǔ)償電容CCi和C2產(chǎn)生的左半平面零OH和Wz抵消了非主極叫2和沖3，又因沖4大于單位增益帶寬GBWgm1ACciCC2），所以只剩下主極點(diǎn)W1在單位增益帶寬內(nèi)。另外，W4隨負(fù)載電流而增大。所以，隨著負(fù)載電流的增大，系統(tǒng)相位裕度逐漸增大，系統(tǒng)也更穩(wěn)定。

　　3.4瞬態(tài)響應(yīng)分析可知，減小Ati，即減小整個(gè)環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間，可以降低比較大輸出電壓跳變值A(chǔ)vut，x.同時(shí)，由（8）式可知，增加誤差放大器的輸出電流Ir，能夠減小Ati.但是，在加入SRE電路后，電流Ir將不是一個(gè)恒定的值，而是由下式?jīng)Q定：流，x是相應(yīng)的電流鏡像常數(shù)，其大小由M19、M20、M21和M22的寬長(zhǎng)比決定：當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，調(diào)整管的柵極電壓不變，鏡像電流Iboost可以忽略不計(jì)。然而，當(dāng)負(fù)載電流從0突變到比較大時(shí)，調(diào)整管的柵極電壓將會(huì)降低。由于M23和Mp管的柵源電壓相同，導(dǎo)致M23瞬間開(kāi)兩次鏡像后，使流過(guò)M19的電流為xIfeost，從而加快對(duì)調(diào)整管柵極電容G-充電，使Mp迅速響應(yīng)負(fù)載電流的變化，直至輸出電壓回到穩(wěn)定值7.所以，在負(fù)載電流突變時(shí)，系統(tǒng)因加入了SRE電路而不再需要整個(gè)大環(huán)路來(lái)響應(yīng)負(fù)載的變化，而是直接通過(guò)SRE電路這個(gè)小環(huán)路，即可使調(diào)整管快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化。這樣，使Ati減小，也導(dǎo)致比較大輸出電壓跳變值減小。

　　4仿真結(jié)果分析藝下用Cadence軟件進(jìn)行特性仿真。在5V電源電壓，負(fù)載電容和其寄生電阻分別為1PF和0.5a負(fù)載電阻為50n的條件下，對(duì)輸入輸出電壓范圍進(jìn)行仿真分析。所示為在輸入基準(zhǔn)電壓從-1V連續(xù)線(xiàn)性變化到6V時(shí)LDO輸出電壓的DC響應(yīng)結(jié)果。輸出電壓可以跟蹤基準(zhǔn)電壓從0V線(xiàn)性變化到4.9V.仿真結(jié)果表明，LDO的軌至軌誤差放大器和全反饋網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足輸入基準(zhǔn)和輸出電壓從地電壓變化到電源電壓。

　　在以下條件下，對(duì)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)進(jìn)行仿真分析：電源電壓為5V，負(fù)載電容及其寄生電阻分別為1PF和0.5A輸入基準(zhǔn)為直流2. 5V和交流1V的組合信號(hào)。所示為在負(fù)載電流分別為0. 1mA和300mA時(shí)系統(tǒng)的AC響應(yīng)結(jié)果。在全部負(fù)載電流范圍內(nèi)，單位增益帶寬內(nèi)都只有一個(gè)極點(diǎn)，相位裕度均大于88系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性。

　　全反饋LDO的直流響應(yīng)全反饋LDO的瞬態(tài)響應(yīng)在以下條件下，對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析：電源電壓為5V，負(fù)載電容及其寄生電阻分別為1PF和0.5A輸入基準(zhǔn)電壓為3V.所示為負(fù)載電流從0mA跳變到50mA，?段時(shí)間后再跳變成0mA時(shí)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流從0mA跳變到50mA時(shí)，系統(tǒng)的比較大輸出電壓跳變值和環(huán)路響應(yīng)時(shí)間分別小于28mV和0.5Ps.系統(tǒng)更詳細(xì)的仿真結(jié)果列于表1.表1系統(tǒng)仿真結(jié)果參數(shù)數(shù)值負(fù)載電容比較大負(fù)載電流靜態(tài)電流壓差負(fù)載調(diào)整線(xiàn)性調(diào)整工藝5結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一款寬輸入輸出范圍、高穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)速度快和低靜態(tài)電流的高性能LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器。給出了基于軌至軌誤差放大器的全反饋新型結(jié)構(gòu)，改善了傳統(tǒng)LDO的輸入輸出范圍、靜態(tài)電流和噪聲等特性；采用跨多級(jí)雙密勒電容補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；加入包含轉(zhuǎn)換速率加強(qiáng)（RE）電路的緩沖電路，加快了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。0.35PmCMOS工藝下的仿真結(jié)果表明：高精度輸出電壓跟蹤基準(zhǔn)電壓變化范圍為GND~Va，靜態(tài)電流為20PA，0~ 300mA負(fù)載電流范圍內(nèi)，開(kāi)環(huán)電路相位裕度均大于88負(fù)載電流從0mA跳變到50mA時(shí)，系統(tǒng)的比較大輸出電壓跳變值和環(huán)路響應(yīng)時(shí)間分別小