壓控電流源補償無片外電容LDO

吉林大學電子科學與工程學院 胡冰妍 常玉春 李海彬

壓控電流源補償無片外電容LDO

吉林大學電子科學與工程學院 胡冰妍 常玉春 李海彬

LDO具有電路簡單，高電源抑制比，面積小等優點。但是在節約成本的前提下提高LDO的穩定性始終是一個難題。本文采用的LDO為VCCS補償方式。這種方式可以有效提高環路穩定性，減小片上電容面積。

LDO；片上補償電容；VCCS；頻率補償

LDO（Low Dropout Voltage Linear Regulator），即線性穩壓器，是一種常見的電源管理芯片，它具有集成度高，電源抑制比值高，噪聲低等優點，廣泛地應用在直流供電系統中。傳統LDO為了保持環路的穩定性，需要在片外加一個電容。近年來，隨著手持智能終端的迅猛發展，無片外電容LDO應運而生。然而，由于片上無法集成大尺寸電容，導致系統穩定性變差。針對這個問題，本文采用了壓控電流源（VCCS）補償的方法，實現用極小的片上電容（本文采用了0.9pF的電容)產生零點從而進行頻率補償，從而使整個電路系統達到穩定。同時，本方法減小了版圖面積，降低了芯片成本。

VCCS方案進行頻率補償的LDO的設計的核心思想是在所加入的VCCS模塊中通過1：m電流鏡鏡像，將流經片內電容C1的電流信號sC1VOUT放大m倍，進而將C1產生的零點放大m倍，這就意味著可以使用極小的片內補償電容即可產生所需的零點。同時VCCS模塊中的跨導增強型放大器將VCCS產生的極點推到高頻處，從而實現系統的穩定性。本設計的LDO輸入電壓為1.2V，輸出電壓為1.8V，最大負載電流30mA，環路帶寬1MHz，相位裕度大于40°，片上補償電容為0.9pF，輸出電容為1nF,LDO本身功耗為112μA。

1 LDO的結構和工作原理

如圖1所示，本設計的LDO線性穩壓器主要由誤差放大器（EA）、功率調整管Mp、基準電壓源Vref、反饋比例電阻網絡R1，R2和VCCS補償模塊等組成。通過反饋網絡將反饋電壓輸入到誤差比較器的同相端，與負相端的基準電壓源進行比較。兩電壓差值通過誤差放大器的放大后直接控制功率調整元件的柵源電壓，通過改變調整元件的導通狀態來控制LDO的輸出端，從而在電源電壓或負載電流變化時獲得穩定的輸出電壓值。

（1）誤差放大器

本文中的誤差放大器如圖2所示。誤差放大器采用的是兩級誤差放大器，第一級差分輸入單端電流鏡輸出，第二級則是共源放大器。

（2）VCCS頻率補償電路

由下圖1可知，VCCS模塊相當于一個電容并聯在Rf1兩端，這將產生一個零點對反饋環路進行補償。

圖3為VCCS模塊的示意圖。由圖3可知：

圖1 LDO整體結構示意圖

圖2 誤差放大器示意圖

圖3 VCCS結構示意圖

由公式 (1)(2)(3)可推導出：

由于：

再由于1：m電流鏡的作用，C1的作用被放大m倍。跨導放大器，電流鏡以及較大的Rf1共同作用減小了C1的數值。所以本設計僅使用0.9pF的片上電容來補償LDO環路的穩定性。

由圖1和圖3知，VCCS產生的零點為：

由公式(5)可知，零點的位置可由Rf，m和C1共同調節，這就實現了用較小電容得到較大零點的目的。本文的LDO主極點為負載電容極點，次極點為功率管極點。VCCS產生的零點將在次極點位置進行補償。

2 仿真驗證

2.1 AC仿真驗證

電路設計完成后，將要進行AC仿真，DC仿真，TRAN仿真等來驗證電路的性能。AC仿真為交流小信號仿真。本文應用的AC仿真頻率范圍為1Hz至1GHz。

圖4 負載為6k時電路的AC仿真結果

圖5 負載為60Ω的電路AC仿真結果

LDO環路在6kΩ（見圖4）電阻負載情況下的仿真結果為環路增益102dB，帶寬910kHz，環路相位裕度40.17°。

LDO環路在AC仿真中（見圖5）60Ω電阻負載情況下，環路增益100dB，帶寬4.76MkHz，環路相位裕度82.5°。

2.2 TRAN仿真驗證

瞬態仿真是為驗證電路的負載跳變穩定性，輸出電流的周期為1μs，跳變幅度為0mA至30mA。

圖6 負載從0.3mA到30mA變化時LDO的瞬態響應

LDO在瞬態仿真中當負載電流從0.3mA上升到30mA時，輸出電壓穩定在1.79V。2.3 版圖設計

圖7 整體版圖

如圖7所示，整體版圖中最下面的部分為功率管Mp，右側的部分為VCCS模塊，最上面的部分為基準電壓源Vref，電阻反饋RES和誤差放大器AMP位于版圖的中間部分。在繪制版圖過程中，為減少各模塊間走線長度，消除寄生參數對電路的影響，以及獲得更好的匹配性，我們首先對電路中各子模塊進行總體布局，根據確定好的整體版圖及I/O的位置，合理的分配各子模塊版圖位置及信號連接方式等。對于復雜的LDO電路來說，好的布局不僅可以減小芯片面積，還能防止信號間的干擾，減小噪聲，從而保證芯片性能。

經仿真驗證，電路達到的性能指標如表1所示：

基于像素電荷補償的超寬動態范圍CMOS圖像傳感器研究（項目批準號：61274023）。