低负载调整率和低线性调整率的双环路LDO

王 兴，陈彦杰，李现坤，肖培磊，宣志斌

(中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035)

一般情况下，线性稳压器(LDO)需要外接一个负载电容，以抑制输出电压的过冲，同时稳定LDO 的内部环路。LDO输出电压具有低噪声、低波纹、无电磁干扰(EMI)的特性，在大量系统级芯片(SoC)或模数/数模(AD/DA)转换芯片中都需要一个LDO，为后续噪声敏感电路提供稳定低噪的工作电压。LDO 的片外负载电容需要SoC 等芯片设有专用的引脚，负载电容和引脚的存在增加了印制电路板(PCB)的面积，成本也大幅增加。传统的LDO 通常采用较大的片外电容，这种方法在增大成本的同时也会影响系统的集成度[1]。如果SoC内部需要多个LDO，那么电路面积和成本将倍增，造成极大的浪费。为了摆脱片外电容的限制，适应片上系统的需求，无片外电容LDO 的设计成为一种发展趋势[2]。

LDO 片外微法级的大电容通过存储的电荷，在负载变化调整管未及时响应时，对负载进行充放电，减小负载电流引起的过冲电压和下冲电压幅度[3]。无片外电容的LDO 由于没有大电容存储电荷，在负载变化时调整管的栅端电压需要快速做出响应，但因调整管的栅端寄生电容很大，栅极电压调整往往受限于环路带宽和上一级输出端的压摆率，所以一般情况下无片外电容的LDO 比含片外电容的LDO 负载瞬态响应特性差[4]。本文提出了一款双环路结构、含内置电容的LDO，具有负载瞬态响应高、线性调整率高、负载调整率高、集成化程度高、尺寸小、成本较低等优点[5]。

1 LDO 电路分析

LDO 将外部输入电压VIN转换成所需要的输出电压VOUT，在正常输入电压范围内，提高了内部电路的电源抑制能力。LDO 由双环反馈电路构成，主要包括误差放大器(EA)、调整管(MP1、MP2)、反馈网络等[6]。本文设计的LDO 电路原理图如图1 所示。

图1 LDO电路原理图

电流环路分析：该电流环路具有快速响应和过载恢复能力。当负载RL阻值瞬间减小时，会拉低LDO 的输出电压VOUT，使得电阻R1和R2对VOUT分压产生的VFB电压降低，经EA调节后，使EA 的输出电压增大，从而使MP2调整管的开启程度减小，通过负反馈环路，使得MP1开启程度增大，进一步增大LDO 的带载能力，使其输出稳定为VOUT。当负载RL瞬间增大时，LDO 的输出电压VOUT会升高，使得电阻R1和R2对VOUT分压产生的VFB电压升高，经EA 调节后，使EA 的输出电压减小，从而使MP2调整管的开启程度增大，通过负反馈调节，使得MP1开启程度减弱，进一步减小LDO 的带载能力，使其稳定输出VOUT。

电压环路分析：该电压环路具有快速误差调节能力和频率补偿能力。当RL瞬间减小时，LDO 输出电压拉低，EA 输出误差电压增大，电压环路把这种误差电压转换成电流，通过电流镜结构镜像电流后再转换成误差电压来增大MP1调整管的开度，最终提高LDO 的带载能力，使其稳定在VOUT。当RL瞬间增大时，LDO 输出电压升高，EA 输出误差电压减小，电压环路会把这种误差电压转换成镜像电流再转换成误差电压来减小MP1调整管的开启程度，最终减小LDO 的输出能力，使其稳定在VOUT。

CL是LDO 内置电容，对输出电压起到滤波和稳压作用，LDO 不用再接外置电容。R2和C1是EA 负反馈端输入信号的滤波电路。R3和C2为运放输出信号频率补偿电路，确保电流环和电压环稳定工作。稳压管D1用于稳定LDO 的输出电压VOUT，防止VIN上电过快而引起的输出电压VOUT过冲。该LDO 有2 个极点、1 个零点，可选取带适当寄生电阻的输出电容和频率补偿电路使零点与极点相互抵消，从而使系统稳定[7]。

LDO 的环路稳定性分析：此LDO 由电流环和电压环组成，电流环路采用负反馈形式进行连接，当负载电流突变时，电压环能快速把这种负载突变引起的电压变化量传递到电流环，电流环通过EA 的负反馈连接，进行负反馈电流环路调节，从而使该系统稳定工作。另外，LDO 的滤波电路会产生极点，可以在LDO 的输出端加输出电容，输出电容的电子自旋谐振(ESR)可以用于补偿环路，提升环路稳定性[8]。

1.1 EA

EA 的电路原理如图2 所示。EA 的结构为有源电流镜的差分对，此电路最重要的特点是，它将双端输入转换成了单端输出，抑制了干扰信号进入电路当中。C4在电路当中会产生一个极点，C3则会抵消这个极点，使电路系统更加稳定[9]。

图2 EA电路原理

1.2 零点与极点分析

MN5的跨导为gMN5，考虑沟道调制效应，则MN5的沟道电阻为RMN5，MP6的沟道电阻为RMP6，EA 输出阻抗为ZOA，直流增益为AV，则：

LDO 的闭环传递函数H(s)为：

式中：γ 为常数；s=jw，w为角频率；gMP1为调整管MP1跨导；gmp为LDO 等效跨导；ZO为LDO 输出阻抗。

设MP1栅极到地的等效电容为CP，MP1沟道电阻为RMP1，CL=C1//C2，RMP1远小于R1、R2，则：

C3产生极点fP1，C4产生极点fP2，输入输出耦合电容Co产生零点fZ1，由式(4)～式(6)整理可得:

该LDO 电路有2 个极点、1 个零点，零点与极点相互抵消，最终使得系统稳定[10]。

2 仿真与结果

LDO 空载时，内部消耗的电流为静态电流。一般来说，静态电流不随输入电压的变化而变化，几乎是恒定不变的。本设计基于国内某0.18 μm 标准工艺线，对LDO 电路原理进行静态仿真验证。LDO 输出端悬空，即不接负载。LDO 静态消耗电流IVIN随VIN变化曲线如图3 所示。仿真结果表明，此LDO 在VIN为4.942 74 V 时，IVIN最小(16.847 842 6 μA)，小于普通LDO 的静态电流[11]。

图3 LDO的IVIN随VIN的变化曲线

VOUT随VIN变化曲线如图4 所示，LDO 最大输出电压Vmax约为2.592 025 V，最小输出电压Vmin约为2.591 94 V。普通LDO 的线性调整率一般为0.24 mV/V。

图4 VOUT随VIN的变化曲线

式中：Rline为LDO 的线性调整率。线性调整率越小，说明输入电压变化对输出电压影响越小，性能越好。仿真结果表明，该LDO 的线性调整率比普通的LDO 降低了10%，性能大幅提高。

LDO 的动态负载调整率是指VIN一定时，VOUT随负载电流Iload变化而产生的变化量。当Iload变化缓慢时，一般的LDO 输出恒定不变。当Iload快速跳变时，VOUT会随之改变，这个改变量的大小决定了负载瞬态性能，这个值越小越好。LDO 瞬态仿真时VOUT和Iload随时间t变化曲线如图5 所示。图5 中，横坐标t为LDO 瞬态仿真时间，纵坐标为输出电压VOUT和负载电流Iload，Iload值在0 mA—1.016 6 mA—25.016 mA 跳变。普通的LDO 负载调整率一般为25 μV/mA。

图5 瞬态仿真时VOUT和Iload随时间t变化曲线

式中：Rload为LDO 的负载调整率。仿真结果表明，该LDO 具有较小的负载调整率，比普通的LDO 负载调整率减小了16.7%，性能大幅度提升。

LDO 最大的优点之一是能够衰减开关模式电源产生的电压纹波，这对锁相环(PLL)和时钟等信号调节器在内的数据转换器尤为重要，LDO 电源抑制比(PSRR)是LDO 供电时对其混杂在其中的交流信号的衰减能力，这个参数越大，代表抑制输入纹波的能力越强[12]。LDO 的电源抑制比随频率的变化曲线如图6 所示，从图中可知，LDO 的PSRR 为－78.101 dB。仿真结果表明，此双环路LDO 的PSRR 能力良好。

图6 LDO的电源抑制比随频率的变化曲线

LDO 的相位和增益随频率的变化曲线如图7 所示。从图中可以读出，相位裕度约为123.351°，低频时增益为56.972 dB，LDO 环路增益和相位裕度是合适的。仿真结果表明，LDO 的幅频特性和相频特性指标良好。

图7 LDO的相位和增益随频率的变化曲线

LDO 电路版图如图8 所示。完成了版图设计并进行了含寄生参数的仿真验证，仿真结果表明该LDO 可以稳定输出VOUT电压，且其他各项性能指标良好。

图8 LDO电路版图

3 结论

本文基于国内0.18 μm 标准工艺，运用Cadence Spectre对设计的LDO 进行了线性调整率、负载调整率等各项指标的仿真验证。仿真结果表明，该LDO 具有高的线性调整率和高的负载调整率，比普通LDO 的线性调整率和负载调整率分别降低了10%和16.7%，且其他各性能指标良好。