经验分享——我把LDO做成了OSC

01—背景

某个多功能芯片Spec要求是使用+/-5V供电，而内部部分单元需要用到一些特殊电压的供电，因此需要设计一个LDO，由于是GaAs pHEMT工艺，只有N-Channel型晶体管，再加之作者主要设计MMIC，本来也没有什么电源的理论基础，所以设计不了结构很复杂的LDO。第一版时，仅仅使用了电阻分压+源极跟随器的方式，非常简单，测试功能也是正常的。

但是担心容易受高低温、工艺波动等因素影响，所以第二版时，就异想天开地改了个结构，增加了负反馈，自以为能改善电源性能：

电源一共有三路，其中+5V生成了一路+1V/5mA输出，-5V生成了一路-4V/15mA和一路-3V/5mA输出。完整的原理图如下图所示，排列是从上到下依次+5V,GND,-5V，打叉的是滤波电容（实际上没有加）：

02—问题

测试件单独加-5V时，电压电流都在正常范围内，单加+5V时，电流1~2mA，好像也没啥问题。如果同时加上±5V，虽然电流也在正常范围内，但如果用万用表笔测GND和-3V网络，会发现电压剧烈波动，同时-5V的供电电流也在8~18mA范围内波动。

（左）+5V/2mA（中）-5V10mA（右）无关

开始以为是万用表表笔引入了外界干扰，直到后来用示波器看到了+5V/GND/+1V的网络上存在明显的振荡波形！例如下图是某一次在测试件的GND上看到的波形，大概有150mVpp@24.7MHz：

经过反复测试确认，外接电源用的导线不同方式摆放或缠绕时，振荡幅度或者频率会变化，由于测试板做得很粗糙，仅仅是将所有IO PAD键合到PCB上，外围完全没有放置任何电源滤波电容，所以怀疑与此相关，于是给PCB上的±5V对地分别添加了一个10uF的电解电容，振荡消失。

03—分析

事后，开始在网上疯狂搜索LDO稳定性相关的文章，找教程学习环路稳定性相关的仿真，在ADS中使用AC仿真，在反馈路径中注入扰动信号，扫频分析得到环路的增益和相位特性，即Bode图

上图中的元件参数和下面的仿真结果都是通过仿真尝试得到的，使结果与实际情况接近。其中电感是模拟的外接电缆、PCB走线、键合线在内的寄生电感。

对数扫频时的Bode图如下，增益0dB、相位0（180）deg刚好在25.7MHz附近：

如果通过Bode图看增益和相位还不是很直观，那么下面这个输出电压随扫频信号的变化就非常明显了：25.7MHz振荡了。

下面两张图与上面基本一致，只是将频率由对数坐标轴改为线性坐标轴，便于观察几十MHz附近的变化：

去掉环路仿真的扫频信号，直接进行Transient仿真，可以看到振荡波形及其频谱分布：

在Virtuoso环境中搭建testbench，在输出晶体管的栅极上插入了一个电流探头IPRB0：

使用ADE中的STB仿真计算环路的频率响应，它可以自动判断穿越频率、增益裕度和相位裕度。

由于Virtuoso的PDK是没有仿真用的电路模型，这里的模型是我大致参考原ADS PDK的晶体管参数自定义的VerilogA模型，但是也能得到相似的仿真结果。下图是无+5V电源滤波电容时的闭环特性，显然28MHz附近发生了振荡：

电源输入增加滤波电容后：

04—结论

结论就是吃了没有电源基础知识的亏，LDO还是有非常深的门道的，业余选手要谨慎踩坑……

这里有一个值得思考的问题就是：如果你当前的设计不完美但能工作正常，你是否会考虑一个未知的改进方案？

审核编辑：汤梓红