低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计

　　1 引言

　　随着集成电路规模的发展， 电子设备的体积、重量和功耗越来越小， 这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。而随着片上系统（ SOC） 的不断发展， 单片集成的LDO 线性稳压器的应用也越来越广泛[1]。对于片内的LDO，最担心的是寄生电容过大引起不稳定，论文针对片内应用而设计的这款LDO，能保证在uF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作，毕竟寄生电容再大也不至于是μF 级别的。功耗是LDO 线性稳压器的重要指标之一，一般的LDO 功耗都在几十μA 以上，例如文献[2]中电路的静态电流为38μA，文献[3]中静态功耗高达65μA， 而本文的静态功耗做到10μA 左右，不仅功耗低，本文中第二级靠电阻的电流关系提供了一个小增益级，并且提高了整个LDO的带宽。

　   2 LDO电路组成原理与关键模块设计

      2.1 电路基本工作原理

　　图1 是LDO 线性稳压器的结构框图， 由下面几个部分组成：基准电压源（Vref）、误差放大器、同相放大器、反馈电阻网络、调整管等。其中基准电压源输出参考电压Vref, 要求它精度高， 温漂小。误差放大器将输出反馈回来的电压与基准电压Vref 进行比较， 并放大其差值，其经过同相放大器来控制调整功率管的状态， 因而使输出稳定。在这里C1 是前馈电容，可以提高负载调整率，并增加了一个左零点补偿，Cff提供一个零点补偿。第一级放大器就是一个差分对，和大多数误差放大器结构一样，第二级为同相放大级，靠电阻的电流关系提供一个小增益级，并控制带宽。相对于普通结构而言的，如果靠运放直接驱动功率管，那带宽就被功率管的寄生电容和运放输出阻抗和增益决定了，而这个结构的增益和输出阻抗，相比运放小很多，带宽自然就提高很多。表1 为该LDO 的主要设计参数和性能指标。

图1 LDO 线性稳压器结构示意图

表1 LDO 的设计参数和性能指标

　　2.2 电路组成与设计

　　（1）调整管结构设计：MOS 型线性稳压器的调整管是电压驱动的， 能大大降低器件消耗的静态电流， 而且其较小的导通阻抗使得漏失电压也比较低，从而提高了电源的转换效率[4]。根据调整管的平方率关系式以及设计指标Vdropout ≈ 200mV，可以计算出调整管的宽长比， 结合调整管的栅极寄生电容以及工艺的要求，在重载情况下考虑调整管需工作在线性区， 将调整管的宽长设计为：W=6000μm，L=0.5μm。

　　（2）电阻R1 与R2 选择：输出电压由反馈网络决定，根据VOUT =VREF[（R1+R2）/R1]，当选定的VREF=1.25V，R1 = 625KΩ，那么R2 = 625KΩ。

　   2.3 误差放大器（EA）设计

　　误差放大器电路原理图如图2 所示。对该EA部分功耗（3μA）以及低的失调电压的要求，根据σ²（V_T）= A^2_VT / WL+S²_VTD²以及MOS 管的平方率关系[5]，设计出各MOS 管的尺寸，M1 和M2 的宽长比为41/2, M3 和M4 的宽长比为4/1，M5 和M6 的宽长比为2/1， 我们这里取W1=W2=82μm,L1=L2=4μm；W3=W4=12μm,L3=L4=3μm;W5=W6=8μm,L5=L6=4μm。实际上，在EA 这部分为了让这一级增益Ger 不小于10dB 且保证有足够的相位裕度，将反馈电容C_FF设计为20.8pF，把C1 设计为1.5pF。该部分的仿真结果如图3 所示。结果表明，该设计在保证稳定的前提下Ger 为11dB[6]。

图2 EA 与反馈网络

图3 EA 的环路增益

　　2.4 同相放大器设计

　　同相放大器电路结构如图4 所示。这一级主要是获得整个环路最大的增益Gnon- inv=25dB~30dB。

图4 同相放大器结构为保证低功耗的前提下I1设为5μA,I2设为3μA，在小的偏置电流以及较大的负载的情况下为了保证能得到不小于25dB 的增益，把RF设计为500K。由于同相放大器的增益随负载的增加而减小，在设计中需要适当增加偏置电流I1 和增加RF的值[7]。而带宽受M2 的跨导和调整管的W/L 的影响，需要增加M2 的W/L 以及偏置电流I2。图中M1 的宽长比为4/1, 这里取W1=30μm,L1=3μm，M2 的宽长比为110/1,取W2=110μm,L2=1μm。仿真结果如图5 所示。

图5 同相放大器的增益

　　3 LDO 整体仿真结果与讨论

　　我们基于HHNEC 0.35um BCD 工艺下，采用cadence 和Hspice 仿真软件对整体电路做仿真，如图6 所示为LDO 环路稳定性仿真曲线。

（a）负载电流为50mA 仿真曲线

（b）负载电流为0 时仿真曲线

图6 LDO 环路稳定性仿真曲线

　　（a） 图为负载电流为50mA 时，LDO 环路增益为50dB、单位增益带宽为470KHZ、相位裕度为74degree。（b）图为负载电流为0 时，LDO 环路增益为63dB、单位增益带宽为1KHZ、相位裕度为87degree。图7 给出了该LDO 的线性调整率曲线，仿真条件为C _L=1μF, 由仿真曲线可以看出该LDO 的线性调整率为：

图7 CL=1μF 线性调整率曲线

　　图8 给出了该LDO 的负载调整率曲线，仿真条件为CL=1μF, 由仿真曲线可以看出该LDO 的负载调整率为：

图8 CL=1μF 负载调整率曲线

　　图9 给出了该LDO 的电源抑制比仿真曲线，仿真条件为IL=1mA。从该曲线可以看出，该LDO 的PSRR 在1KHZ时为- 60dB。

图9 电源抑制比仿真曲线

　   4 结论　　

      本文提出的这款LDO 线性稳压器，能保证在μF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作。

　　该LDO 的静态电流低至10μA,文中同相放大器的引入，提高了整个LDO 的带宽。从仿真结果可以看出，在负载电流Iload=50mA 时，带宽为470KHz。

　　该LDO 其它各方面指标都满足设计要求。