一种用于LDO的super source follower结构

1. LDO的稳定性问题

根据我们之前文章的介绍，在有基准电压的情况下，一个简单的LDO只需要用一个误差放大器和一个pass device构成。然而，要保证LDO在全负载范围内的稳定性却并不容易。假设LDO输出有片外大电容稳压，那么输出节点即为系统主极点。将反馈环路断开来看系统稳定性： 在轻负载（iload接近0）时，输出电阻大，主极点低；重负载（iload接近LDO最大负载电流）时，输出电阻小，主极点高。 那么在主极点变化范围如此大的情况下，必须保证内部次主极点距离unity-gain frequency足够远，也就是足够高频，才能保证稳定性。内部次主极点在哪呢？就是在误差放大器的输出端，也是pass device的栅极。放大器的输出电阻一般很高，而为了提供足够大的source电流能力，pass device的尺寸很大，那么栅极寄生电容也比较大，导致这个节点的极点相对低频，可能会引起不稳定的问题。

图一

图二

为了解决全负载范围内的LDO稳定性问题，之前的paper有两种解决方案。 第一种是在误差放大器和pass device的栅极之间插入一个buffer ，如图一。这个buffer一般用source follower或者emitter follower来实现。加了buffer之后，在放大器输出（N1节点）看不到pass device的大电容，只有buffer输入的小电容；在pass device栅极（N2节点）看不到放大器输出的大电阻，只有buffer输出的小电阻。这样就使得N1和N2的极点（p1和p2）都为带外高频极点，稳定性得以保证。然而，图二中的传统source follower有一个很大的问题，当输出重负载的时候，LDO主极点较为高频，而N2的电阻为source follower输出电阻1/gm，为了使p2足够高频，必须增大M21的电流或尺寸以增大它的gm。增大电流牺牲了LDO的效率，而增大尺寸会增大N1点的寄生电容，使p1趋于低频。

第二种解决方案是引入一个左半平面零点 ，以抵消非主极点带来的相移。常见方法为利用输出电容的ESR引入的零点，或者通过内部电路引入一个伪ESR零点。原文中提到，还可以增加一个voltage-controlled current source来构造零点。Anyway，在这里我们对这种方法不做详细介绍，留到以后再聊。

在这篇文章里，作者是基于第一种解决方案，对传统source follower进行改进，来解决LDO的全负载范围稳定性问题。

2. super source follower之V1.0

图三

从前面分析容易想到，理想的source follower需要 输入电容足够小，输出电阻足够小，且功耗足够低 。基于这个出发点，作者在传统source follower的基础上增加了一个反馈环路，构造了super source follower的1.0版本，如图三。我们来看N2点的输出电阻。假设N1电压固定，且I21和I22都为固定电流偏置，N2电压增加V2，则M21的电流增加V2 * gm21，由于理想情况下M22的电流完全由I22决定，那么M21增加的电流就完全流到了Q20的基极，使得集电极电流增加V2*gm21 * β，N2节点被下拉。Q20的加入构造了一个负反馈环路，使得在N2节点看到的电阻变为1/(gm21 * (1+β))，相比传统结构的1/gm21减小了(1+β)倍。

事实上，也可以把Q20更换为一个NMOS。那么N2电压增加V2，经过M21这一级共栅极放大器的放大，Q20栅极电压增大V2 * gm21* (ro21||ro22)，那么Q20的漏电流增加V2 * gm2 1* (ro21||ro22) * gm20，使得N2节点电阻为1/(gm21* (ro21||ro22) * gm20)，相比传统的1/gm21减小了gm20* (ro21||ro22)倍。

无论Q20为NPN还是NMOS，super source follower的输入电容和功耗都没有明显增加，而输出电阻降低了非常多。

3. super source follower之V2.0

前面说过，LDO的主极点随着负载电流增大而变大，而1.0版本的super source follower输出电阻为1/(gm21*(1+β))，是一个固定值。那么，如果我们 随着负载电流的增大，将super source follower输出电阻进一步降低 ，是不是可以使p2也随着负载电流增大而增大，从而跟随主极点的变化呢？这样的话，就可以保证p2一直在带外，不会影响稳定性了。

图四

出于前面的考虑，改进出super source follower的2.0版本，如图四。零负载的时候，M24和M25都没有电流，电路和1.0版本完全相同。随着负载电流增加，M24和M25按同样的比例将负载电流镜像过来，使M21的偏置电流随着负载增加而增加，那么gm21变大，super source follower输出电阻降低，p2增大，实现了我们前面说的目标。值得注意的是，对于1.0和2.0版本来说，I22的设计都需要略小于I21，来保证Q20始终开启（如果Q20是NMOS，则保证I22=I21）。而2.0版本里，M24电流叠加到I21上，M25电流叠加到M22上，所以M24和M25应该保持相同的尺寸，使得内部节点工作点不受影响。此外，电路改动之后，N2点电阻还并联了一个M24的1/gm，所以输出电阻为1/(gm21*(1+β)+gm24)。

除了输出电阻的降低之外，相比传统source follower，V2.0结构还 改善了N2节点的slewing 。根据图一，LDO从零负载突然切换为满负载，输出降低，N1也降低，则图四中M21电流增加，流到Q20基极，Q20集电极电流增加，下拉N2节点。相反，如果LDO从满负载切换为零负载，输出增加，N1也增加，导致M21突然截止，M22将Q20基极拉到0，Q20也截止，则N2无下拉电流，同时M24在N2升高之前提供一个上拉电流，帮助N2点上升。