無片外電容LDO 的補償方法研究

李天碩，李 嚴，劉 瑩

（北京信息科技大學理學院，北京 100192）

1 引 言

低壓差線性穩壓器（LDO regulator）功耗低、結構簡單、體積小巧，常被應用于集成電路系統中。以往的LDO 通常含有片外電容，利用片外電容改變極點位置實現頻率補償，以及對電容充放電實現輸出穩壓，因此含片外電容的LDO 具有良好的頻率穩定性和瞬態響應特性。隨著技術不斷革新，設計者對電路集成度的要求不斷提高，而片外電容通常為μF數量級，尺寸較大，會導致版圖面積的嚴重浪費，影響系統的集成度。因此無片外電容的LDO 成為當前研究的主流[1]。由于缺少片外大電容的加持，無片外電容LDO 的頻率穩定性和瞬態響應速度較差，需要通過其他方法進行補償[2]。在提高穩定性方面，設計者經常會在誤差放大器輸出端和功率管柵端之間加入緩沖器。緩沖器能提供低輸出阻抗[3-4]，因此可以將次極點推向高頻[5]，同時單位增益帶寬內只有一個低頻極點，從而實現系統的穩定[6]。

2 電路結構分析

2.1 無緩沖器的LDO

無緩沖器的LDO 的基本結構如圖1 所示。通常，在LDO 輸出端存在一個低頻極點（pmain），此為LDO 系統的主極點。為了保證LDO 穩壓器具有較低的負載/線性調整率，需要系統具有較高的環路增益，因此誤差放大器的增益需要盡可能設計得大一些，這就導致誤差放大器輸出端的等效阻抗r0很大。另外為了獲得較好的驅動能力和帶負載能力，功率管尺寸也要做得很大，這就使其柵極形成較大的寄生電容c0。因此誤差放大器輸出端與功率管柵極相連的這個節點存在一個低頻極點p0，其頻率為：

圖1 不含緩沖器的LDO 結構

無緩沖器的LDO 系統的極點分布如圖2 所示。在不使用任何補償手段的條件下，系統在單位增益帶寬（UGB）內存在兩個極點，系統不穩定。因此在一部分無片外電容LDO 的設計中采用緩沖器對系統進行頻率補償。

圖2 系統極點分布示意圖

2.2 帶有普通源極跟隨器的LDO

含緩沖器的無片外電容LDO 的基本結構如圖3所示。

圖3 含緩沖器的無片外電容LDO 結構

通過在誤差放大器輸出和功率管柵極之間添加緩沖器，使得該節點原本的低頻節點被分成了兩個極點p1和p2，其頻率分別為：其中，r1、c1為誤差放大器輸出與緩沖器輸入之間的等效阻抗和等效電容；r2、c2為緩沖器輸出與功率管柵極之間的等效阻抗和等效電容。

普通源極跟隨器僅由兩個MOS 管構成，由于其結構簡單，經常被作為緩沖器使用。以PMOS 源極跟隨器為例，其結構如圖4 所示。

圖4 PMOS 普通源極跟隨器結構

通過小信號分析可知，普通源極跟隨器的輸出阻抗為輸入管M2的跨導的倒數，即1/gm2，其為低輸出阻抗。輸入管M2的尺寸較小，因此柵極寄生電容較小。利用普通源極跟隨器的隔離特性所產生的極點p1和p2為高頻極點，則此時單位增益帶寬內僅有一個低頻極點，系統穩定性得到補償。另外，由于普通源極跟隨器的增益接近單位增益[7]，因此額外添加緩沖器級不會對系統的穩定性造成額外影響。

然而普通源極跟隨器的輸出阻抗不足夠低，當其輸出端所接的功率管尺寸較大時，功率管柵極的寄生電容較大，此時功率管柵極節點的極點頻率為gm2/Cg,pass，其中Cg,pass為功率管柵極的等效電容。該極點頻率較低，此時的緩沖器不能將該極點推向高頻，因此無法保證系統的穩定性。另外大尺寸功率管產生的大寄生電容也會降低誤差放大器的輸出擺率，影響系統的瞬態響應速度[8]，而普通源極跟隨器對驅動能力的提升效果并不明顯，于是超級源極跟隨器（Super Source-Follower, SSF）應運而生。

2.3 帶有超級源極跟隨器的LDO

超級源極跟隨器的基本結構如圖5 所示。該緩沖器結構是在普通源極跟隨器的基礎上添加M3、M4管，構成帶反饋增強的源極跟隨器[9]。超級源極跟隨器的小信號模型如圖6 所示。

圖5 超級源極跟隨器的基本結構

圖6 超級源極跟隨器的小信號模型

其中，由于PMOS 管M1和NMOS 管M3分別受偏置電壓VBP和VBN控制，因此在小信號等效電路中可視為電流源。測試電壓源VX用于計算超級源隨器的輸出阻抗，其總電流為IX。通過基爾霍夫電流定律可得超級源隨器的輸出阻抗為：

可見，超級源隨器的輸出阻抗是普通源跟隨器的1/(gm4ro2)倍，且增益大小與普通源極跟隨器都接近單位增益[10]，因此將超級源極跟隨器作為緩沖器可以進一步提高功率管柵極極點的頻率，以確保系統的單位增益帶寬內僅有一個極點，使得系統獲得更好的穩定性。

3 仿真結果

實驗基于SMIC 0.18μm CMOS 工藝，通過仿真觀察無緩沖器、普通源極跟隨器以及超級源極跟隨器對無片外電容LDO 的穩定性的影響。其環路穩定性仿真結果如圖7 所示。

圖7 緩沖器對LDO 環路穩定性的影響仿真

可見在不使用密勒補償電容等其他頻率補償手段時，無緩沖器的LDO 單位增益帶寬僅有146 kHz，且單位增益帶寬內有兩個低頻極點，相位裕度不足，系統無法穩定。而添加了普通源極跟隨器的LDO 的單位增益帶寬達到了3.8MHz，相較無緩沖器LDO提高了26 倍，且單位增益帶寬內僅有一個低頻極點，相位裕度接近60°，系統滿足頻率穩定條件。

當使用超級源極跟隨器作緩沖器時，LDO 的單位增益帶寬相較于使用普通源極跟隨器的LDO 進一步提升了10%，達到了4.2 MHz，且單位增益帶寬內也僅有一個低頻極點，相位裕度提高至77°，比普通源極跟隨器的頻率穩定效果更好。

4 結 束 語

對于無緩沖器、普通源極跟隨器、超級源極跟隨器LDO，基于對工作原理的分析，進行了電路仿真。從仿真結果可知添加緩沖器確實能夠提高系統穩定性，而使用超級源極跟隨器可使系統更加穩定。由于增加緩沖器結構可增加額外的電流通路用于功率管柵電容充電，從而增加功率管的驅動能力，進而增強電路的瞬態特性。添加緩沖器的LDO 系統的帶寬更大，LDO 在負載突變時的響應更快，系統的瞬態特性更好。由于超級源極跟隨器的電流通路更多，所以其環路帶寬更大，系統的瞬態響應特性更好。