摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于電容倍增的無電容式LDO，將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級，提升了系統(tǒng)的環(huán)路帶寬，有良好的瞬態(tài)響應(yīng)。電路通過0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)靜態(tài)功耗為42 W，當(dāng)負(fù)載從0~50 mA變化時(shí)，電壓最大波動(dòng)為87 mV，建立時(shí)間為2.5 s。

　　關(guān)鍵詞： LDO；電容倍增；瞬態(tài)響應(yīng)

0 引言

　　作為電源管理芯片中重要的一員，低壓差線性穩(wěn)壓器（Low-Dropout regulator，LDO）因其紋波低、噪聲低、體積小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到各種便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)、PDA等）中。傳統(tǒng)的LDO利用片外大電容穩(wěn)定其輸出電壓，但是不易于系統(tǒng)集成[1-3]。與傳統(tǒng)的LDO相比，無電容式LDO不需要較大的片外電容，易于系統(tǒng)集成，然而其穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為了保證無電容式LDO的穩(wěn)定性，通常利用米勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)分類，為了達(dá)到足夠的相位裕度，通常需要采用較大的米勒補(bǔ)償電容，消耗較大的芯片面積。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種經(jīng)典的電容倍增技術(shù)，但是其電容倍增系數(shù)受到電流鏡電流之比的限制；參考文獻(xiàn)[5]提出的電容倍增技術(shù)能提高電容倍增系數(shù)，有效地減小所需補(bǔ)償電容的面積，但由于誤差放大器輸出節(jié)點(diǎn)的非對稱性，為系統(tǒng)引入了失調(diào)，影響了LDO的線性調(diào)整率。

　　本文提出LDO結(jié)構(gòu)，將電容倍增技術(shù)嵌入到第一級，使得第一級完全對稱，且能提高環(huán)路帶寬，提高了環(huán)路瞬態(tài)響應(yīng)速度，電路采用0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn)。

1 電容倍增技術(shù)

　　參考文獻(xiàn)[1]提出的電容倍增技術(shù)如圖1（a）所示，該技術(shù)基于電流模式實(shí)現(xiàn)，其原理為：采樣流過電容的電流，通過電流鏡實(shí)現(xiàn)放大后再反饋到電容的另一端，以實(shí)現(xiàn)電容倍增效果。其等效電容為（1+k），其中k為電流鏡的放大系數(shù)。

　　參考文獻(xiàn)[2]采用的電容倍增技術(shù)如圖1（b）所示，在M1的柵極和漏極之間插入了一個(gè)電阻Re，同樣能實(shí)現(xiàn)自偏置效果，無需額外的偏置電路。A點(diǎn)仍為低阻節(jié)點(diǎn)，但是B點(diǎn)不再是低阻節(jié)點(diǎn)，因此流過Cm的電流通過Re和M1放大成電壓V1，然后通過M2再次轉(zhuǎn)換成電流。其等效電容可表示為：

　　Ceq=（1+k）gm1RbCm（1）

　　從式（1）可以看出，其等效電容與參考文獻(xiàn)[1]中提出的電容倍增技術(shù)相比，提高了gm1Re倍，因此對于固定的負(fù)載電容，所需要的片上補(bǔ)償電容大大減小。

2 LDO電路設(shè)計(jì)

　　本文提出的LDO結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括三部分。第一級全對稱的運(yùn)算放大器由M0~M8和電阻Re組成，其中包括由M3、Re、M5和M4、Re、M6組成的電容倍增模塊，該模塊嵌入第一級，與參考文獻(xiàn)[2]相比，功耗減小了。同時(shí)第一級為完全對稱結(jié)構(gòu)，因此能減小失調(diào)。第二級運(yùn)算放大器由功率管Mp和采樣電阻組成。第三部分為頻率補(bǔ)償部分。Vref為帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓；Cm為米勒補(bǔ)償電容；RL為負(fù)載電阻；CL為負(fù)載電容，為100 pF。

　　為了分析環(huán)路的穩(wěn)定性，求出其傳輸函數(shù)為：

　　其中，gmi為Mi的跨導(dǎo)，R1為第一級輸出電阻，Ro為第二級輸出阻抗，C1為第一級輸出電容，其值分別為：

　　Ro=（R1+R1）//Rp//RL（3）

　　C1=Cgs_p+ApassCgd_p（4）

　　Adc和pd為運(yùn)算放大器的直流增益和主極點(diǎn)，分別為：

　　Adc=kgm1gmpR1Ro（5）

　　由式（7）可以看出，本文提出的LDO結(jié)構(gòu)具有大的電容倍增系數(shù)，同時(shí)與參考文獻(xiàn)[5]相比，GBW提升了k倍，因此具有更好的瞬態(tài)特性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證本文所提出的LDO的合理性，對圖2所示的電路采用0.13 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真驗(yàn)證，當(dāng)工作溫度為25℃、輸入電壓為1.2 V、輸出電壓為1 V、負(fù)載電容為100 pF時(shí)，由于采用了本文提出的電容倍增技術(shù)，片上補(bǔ)償電容僅為0.8 pF。空載和負(fù)載為50 mA時(shí)，LDO環(huán)路頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

　　仿真結(jié)果顯示，在0~50 mA全負(fù)載范圍內(nèi)，最小增益為45.66 dB，單位增益帶寬為570 kHz，相位裕度為60°，反饋環(huán)路具有很好的穩(wěn)定性。同時(shí)由于將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級，因此提高了環(huán)路的單位增益帶寬。

　　當(dāng)負(fù)載從空載跳到50 mA然后再跳回空載時(shí)，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)如圖4所示。仿真結(jié)果顯示，上沖電壓為87 mV，調(diào)整時(shí)間為2.5 s；下沖電壓為49 mV，調(diào)整時(shí)間為2.0 s，由于系統(tǒng)單位增益帶寬得到了提升，因此具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的LDO，分析了電容倍增技術(shù)的原理，且將電容倍增模塊嵌入到了誤差運(yùn)算放大器的第一級，提升了系統(tǒng)的環(huán)路帶寬，有良好的瞬態(tài)響應(yīng)。電路通過0.13 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝仿真實(shí)現(xiàn)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)靜態(tài)功耗為42 W，當(dāng)負(fù)載在全負(fù)載范圍變化時(shí)，電壓波動(dòng)最大為87 mV，建立時(shí)間為2.5 s，能夠滿足SoC系統(tǒng)中供電電源的要求。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 應(yīng)建華，黃楊，黃萌，等.基于電容倍增技術(shù)的LDO補(bǔ)償方法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26（11）：102-105.

　　[2] 劉明亮，明鑫，歐雪春，等.一種帶過溫保護(hù)和折返電流限的LDO設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，41（3）：411-415.

　　[3] LIN H C， WU H H， CHANG T Y. An active-frequency compensation scheme for CMOS Low-Dropout regulators with transient-response improvement[J]. IEEE Transactions on Circuits And Systems-II： Express Briefs， 2009，55（9）：853-857.

　　[4] GABRIEL A， RINCON-MORA. Active capacitor multiplier in miller-compensatedcircuits[J]. IEEE Transactions on Solid-State Circuits， 2000， 35（1）：26-32.

　　[5] MILLIKEN R J， Silva-Martínez Jose， Sánchez-Sinencio Edgar. Full on-chip CMOS Low-Dropout voltage regulator[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I： Regular Papers， 2007，54（9）：1879-1890.

　　[6] 王晉雄，原義棟，張海峰.一種高線性調(diào)整率無電容型LDO的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（11）：44-47.