一種高精度、快速瞬態響應的無片外電容低壓差穩壓器

摘 要：該文基于0.18 ？滋m工藝設計一種無片外電容低壓差穩壓器（LDO），設計帶推挽輸出級的高擺率誤差放大器提高輸出電壓精度和瞬態性能。此外，設計自適應偏置電路取樣輸出電流從而動態改變偏置電流，進一步提升LDO的瞬態性能。仿真結果表明，LDO壓差為120 mV，在3.3～5.5 V的輸入范圍內輸出電壓為3 V，負載電流范圍為0～20 mA。在不同負載電流下LDO相位裕度均達到60°以上，環路增益大于100 dB。LDO線性調整率為100.68 ？滋V/V，負載調整率為11.21 ？滋V/mA。負載電流在1 ？滋s內于100 ？滋A～20 mA間跳變時，過沖及建立時間分別為129 mV和1.4 μs，下沖及建立時間為109 mV和1.02 μs，滿足高精度和快速瞬態響應的需求。

關鍵詞：低壓差穩壓器；無片外電容；自適應偏置；高擺率；快速瞬態響應

中圖分類號：TN432 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0039-04

Abstract： In this paper， a output-Capless low-dropout regulator （LDO） is designed based on 0.18 μm BCD process. The error amplifier with push-pull output stage improves the output Voltage accuracy and the transient performance. Additionally， an adaptive bias circuit is designed to sample the output current and change the bias current to improve the transient response of the LDO. The simulation results show that the dropout voltage of LDO is 120 mV. The input range is 3.3～5.5 V， and the output voltage is 3 V. The load current range is 0～20 mA. LDO phase margin and loop gain are more than 60° and 100 dB， respectively， under different load currents. The line regulation and load regulation are 100.68 μV/V and 11.21 μV/mA. When the load current skips between 100 μA and 20 mA within 1 μs， The overshoot and settling time are 129 mV and 1.4 μs， respectively， the undershoot and settling time are 109 mV and 1.02 μs. The performance can meet the requirements of high accuracy and fast transient response.

Keywords： low-dropout regulator; output-Capless; adaptive biasing; high slew-rate; fast transient response

隨著便攜式電子的普及，LDO因其結構簡單、規模小和低噪聲等優勢被廣泛應用[1]。傳統的LDO通常需要在片外接入大電容以抑制輸出電壓尖峰和提高環路穩定性[2-4]。然而，帶片外電容LDO需要占用更大的PCB面積和額外引腳，不利于SoC設計。為解決此問題，無片外電容LDO的研究受到廣泛關注[5-9]。

目前，無片外電容LDO的設計難點主要為穩定性、輸出電壓精度和瞬態響應等指標之間的折衷。為解決上述問題，往往需要同時從高環路增益、高擺率和大帶寬的角度考慮。目前，有多種方法在高環路增益情況下，提高LDO瞬態響應[10-13]。文獻[10]通過動態自偏置技術動態調整偏置電流加快了瞬態響應，但其在輕載下LDO變為兩級結構，降低了環路增益，使得輸出電壓精度受負載影響較大。文獻[11]通過加入尖峰電壓檢測模塊，通過感應過沖和下沖發生，加快對功率管柵極充放電，進而改善了瞬態響應，但該結構采用的高通網絡需要消耗額外的芯片面積。文獻[12]中采用推挽放大器提高了瞬態性能，并通過零極點追蹤技術引入動態零點對輸出極點進行追蹤補償提升環路穩定性，但動態零點往往難以完全跟隨輸出極點變化，因此相位裕度隨負載變化較大。文獻[13]中通過瞬態增強型超級源隨器（SSF）拓展帶寬的同時加大擺率，以提高瞬態性能。但同樣需要消耗更多的電容面積。除上述技術之外，直接利用MOS管本身跨導調制效應的NMOS LDO也能很大程度上優化瞬態響應[14]，但往往需要加入升壓電荷泵以確保能夠實現低壓差。

本文從提高系統環路增益和改善功率管柵極擺率的角度入手，實現了高精度和快速瞬態響應。通過帶推挽輸出級的兩級誤差放大器，同時提高了環路增益和擺率；為進一步提高瞬態響應，通過自適應偏置技術動態改變放大器偏置電流大小，減小過沖、下沖幅度和建立時間。此外，為確保環路穩定，通過前饋通路引入零點進行補償，實現了較好的環路穩定性。

1 LDO電路分析

本文提出的LDO整體框圖如圖1所示。其中，功率管MP的尺寸較大，為提高其柵極擺率，設計誤差放大器第二級為推挽結構。增加了自適應偏置模塊動態改變誤差放大器偏置電流，提高了環路帶寬，從而加快瞬態響應。LDO為兩級放大器+功率級的三級放大結構，較高的環路增益確保了輸出電壓VOUT的精度，降低了線性調整率和負載調整率。CL為負載電路的等效寄生電容，本文中取10 pF。下面分別對LDO的誤差放大器和自適應偏置電路進行分析說明，LDO的具體電路如圖2所示。

1.1 誤差放大器

MP2—MP3、MN1—MN2、MN12—MN13構成NMOS管輸入的差分放大器為本文誤差放大器的第一級，用于提供高增益，VO1為第一級輸出節點。MN13為1 A的恒定偏置，MN12為動態偏置，用于改善帶寬，兩者共同構成誤差放大器的尾電流源。

MN3—MN9、MP1和MP4—MP8管為誤差放大器的第二級，VO2為第二級輸出節點。第二級為同相緩沖器，忽略MP4的前饋路徑，其增益A約為gmp1gmn4/gmn3gmn5，其中gmp1、gmn3、gmn4和gmn5分別為MP1和MN3—MN5管的跨導。因此VY≈AVO1。當VO1增大（減?。r，VY同時增大（減?。率笽D，MP8增大（減?。┒鳬D，MN9減小（增大），兩者相互疊加構成了推挽輸出。第二級中的MN6—MN9、MP5—MP8管為電流鏡像技術構成的跨導提升電路，其鏡像比例如圖2所示。

1.2 自適應偏置電路

為提高LDO的瞬態性能，本文通過自適應偏置電路動態改變LDO偏置電流，從而提高帶寬和擺率，加快瞬態響應。其具體電路結構如圖2中MP10—MP12和MN10—MN12所示。MP9為功率管，MP10為采樣管。為減小功率管寄生電容和面積，MP9和MP10均采用工藝最小溝道長度設計，因此溝道長度調制效應明顯。為減小溝道長度調制效應帶來的誤差，通過MP11—MP12和MN10—MN11構成鉗位環路，從而提高電流復制精度。

該電路具體工作原理如下。MN10—MN11和 MP10—MP11為電流鏡結構，取較大的柵長以提高復制精度。通過MN10和MN11的作用，使得ID，MP11=ID，MP12。忽略MP11和MP12的溝道長度調制效應，可得VS，MP11≈VS，MP12，進而確保采樣管的VDS，MP9=VDS，MP10，使得電流按比例精確復制。

在瞬態響應過程中，當負載電流ILOAD突然減小，輸出電壓VOUT產生過沖，由于節點電容的存在，動態偏置模塊鏡像電流減小需要時間，因此該過程下誤差放大器偏置電流較大，對過沖有著較強的抑制效果；而當負載電流ILOAD突然增大時，VOUT產生下沖尖峰，偏置電流IDS，MN12相應增大，從而增強功率管柵極擺率。由于環路延時存在，抑制下沖幅度的效果相對較低，但大的偏置電流帶來的高帶寬特性仍可以顯著減小下沖建立時間。

2 LDO仿真結果

本文LDO采用CSMC 180 nm BCD工藝進行仿真。輸入電源電壓范圍為3.3～5.5 V，典型輸入電壓為5 V，負載電流范圍為0～20 mA，輸出電壓穩定3 V。

2.1 LDO的直流特性仿真

LDO在滿負載20 mA下，在2～5.5 V范圍內掃描輸入電源電壓，可測得當輸入電源電壓大于3.12 V后，LDO輸出電壓穩定值為2.999 V，即最小壓差為120 mV，如圖3所示。

圖4為輸入電壓為3.3～5.5 V時，不同負載電流下線性調整率的仿真結果。根據圖像可知LDO的線性調整率在重載20 mA下最差，為100.68 ？滋V/V。

圖5為負載電流為0～20 mA時，不同電源電壓下負載調整率的仿真結果。LDO的負載調整率在輸入電源電壓3.3 V下最差，為11.21 μV/mA。

2.2 LDO的穩定性仿真

由前文分析可知，LDO的穩定性受負載影響較大，因此需要LDO在空載、輕載和重載下分別進行穩定性仿真，其頻率響應曲線如圖6所示。

從仿真結果可知：LDO在空載下相位裕度最低，為71.48°；在輕負載下LDO的相位裕度最高，為83.15°。結果表明此外，自適應偏置電路對環路帶寬優化明顯。該無片外電容LDO高的穩定性，且不同負載情況下系統的環路增益均大于100 dB。

2.3 LDO的負載瞬態響應仿真

圖7所示為加入自適應偏置前后，負載電流在1 μs時間內在100 μA～20 mA之間躍變時LDO的負載瞬態響應曲線。加入自適應偏置電路后，LDO過沖及恢復時間分別為129 mV和1.4 μs，而下沖及恢復時間為109 mV和1.02 μs。通過仿真結果對比可知，自適應偏置電路分別削減了233 mV的過沖幅度和59 mV的下沖幅度，且對下沖建立時間優化明顯。

3 結論

本文基于0.18 μm BCD工藝設計了一種高精度快速瞬態響應的無片外電容LDO。在精度方面，通過多級放大將環路增益提高至100 dB以上，使LDO的線性調整率和負載調整率得以改善，實現了高精度輸出；在瞬態響應方面，通過引入自適應偏置電路優化瞬態響應，將過沖及恢復時間分別減小至129 mV和1.4 μs，下沖及恢復時間減小至109 mV和1.02 μs。仿真結果表明該LDO各項指標滿足高精度和快速瞬態響應的需求。

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