【学术论文】一种高稳定性的无片外电容的LDO的设计

   摘 要 ：

考虑到LDO应用在无分立器件的情况下，针对在无片外电容和无片外电阻的情况下对LDO进行研究设计，在无外接电容的情况下，LDO同样能够输出稳定电压，以应用在DC-DC转换器中为内部电路模块进行供电。并通过调整LDO内部运算放大器结构以及对运算放大器进行米勒补偿来调整其零极点，同时在运算放大器内部进行电源隔离的处理，可以显著提高其电源抑制比。最后利用华虹0.18 μm的BCD工艺进行仿真。仿真结果表明，此结构具有高稳定性，可以输出稳定电压。

中文引用格式： 霍德萱，张国俊. 一种高稳定性的无片外电容的LDO的设计[J].电子技术应用，2020，46(1)：44-47.
英文引用格式： Huo Dexuan，Zhang Guojun. Design of a high stability LDO without off-chip capacitor[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(1)：44-47.

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引言

如今，随着集成电路产业的迅速发展，芯片集成度也越来越高，同时为其供电的电源管理芯片的设计也愈发复杂^[1]。目前主流上有许多电源管理方案，而对于应用在降压场合，且输入电压与输出电压较为接近时，LDO稳压器则成为了首要选择^[2-3]。本文基于0.18 μm BCD工艺，设计一种应用在便携式电子产品中为其供电的高性能的LDO方案，该LDO的负载电容集成在芯片内部，无需片外电容，可以在外部封装中减少一个管脚^[2]；同时可以集成在SoC系统中，无需外接分立元件^[3-4]。

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LDO设计原理

本文研究的LDO设计原理如图1所示，主要包括带隙电压基准电路、电压比较电路、补偿电路、功率管以及调整电阻^[1]。

如图1所示，带隙基准电压模块产生一个与温度无关的稳定的电压V_ref输出给电压比较器正端，而电压比较器负端接在调整电阻网络形成负反馈。其电压比较器的输出电压接在开关管M1的栅极，其目的是通过用带隙基准电压V_ref和反馈电压V_fb来控制M1管的开启和关断，进而控制整个电路的开启和关断^[4]。

同时，当M1管开启时，调整电阻网络将输入电压V_IN进行分压得到反馈电压V_fb，并将其输入到电压比较器的负端。故电压比较器的正端是带隙基准电压V_ref，负端是调整电阻网络反馈电压V_fb，当V_fb电压值接近或远大于V_ref时，电压比较器的输出为低电平。此时，M1管的栅极电压为低电平，远小于M1管的源端电位V_IN，M1导通。当输入电压V_IN为定值时，且M1管处于饱和区时，其流过调整电阻网络的电流基本不变，而V_fb的电压值也基本不变，则输出电压V_OUT的电压也基本不变，从而实现将V_IN的高电平转换成V_OUT的低电平为内部模块供电的目的。

而V_IN的电压值为变量时，对于M1管来说，当V_IN的值在一定范围内满足M1管处于饱和区的电压条件时，其结果与上述结果相同；若V_IN的电压值迫使M1进入线性区，则随着V_IN的升高，其电流则会增大，V_OUT会随着电流的增大而增大。此时V_fb的值也会增大，通过负反馈网络将M1栅极电压降低，使M1进入饱和区，将V_OUT、V_fb的电压值维持不变。

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具体电路设计

2.1 带隙基准

带隙基准主要是用两个双极型晶体管的V_BE(负温度系数)以及V_BE的差值ΔV_BE(正温度系数)的线性叠加产生零温度系数的带隙基准电压^[3]。

2.1.1 负温度系数(CTAT)

2.1.2 正温度系数(PTAT)

如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基级—发射级电压的差值就与绝对温度成正比。

该温度系数为正，与温度和集电极电流无关，基于上述原理，设计出带隙基准电路。

2.1.3 带隙基准电压电路

如图2所示，当开关信号Switch1为低电平时，电路启动。通过调整信号Adjust1~4控制调整MOS管进而控制整条支路的总电阻，当上电位V_IN流过由两个三极管和调整电阻形成的带隙基准电压网络时产生压降。本文在传统带隙基准结构的基础上额外添加了比较电压运放，从而整个模块形成负反馈结构，性能更加优化，稳定性大大提升。在输出端口添加了RC滤波网络以达到输出稳定电压的目的。

2.2 电压比较器

电压比较器是LDO设计的核心部分，也是本文的最重要的创新点。在不使用电容的情况下，使用传统的运算放大器，其稳定性非常差，相位裕度会在40°以下，甚至为负，以致产生较大的尖峰，其输出电压V_OUT会在一定范围内规律震荡^[5]。所以在传统运算放大器的基础上，设计了如图3所示的电压比较器。

如图3所示，电路主要分为三个部分：(1)电流偏置电路；(2)差分运放电路；(3)带Miller电容的输出电路。

左侧的I_ref部分外接与M16尺寸相同且其栅漏短接的PMOS管，形成电流镜而且可以有效降低其二次效应带来的影响。在外接MOS的漏端接入电流源提供偏置电流I_ref，I_ref通过M13-M14电流镜将电流传递至M12，再通过M12-M5电流镜将电流提供到差分运放电路模块。

中间的差分运放电路中正极为V_ref，负极为V_fb，M3-M6、M4-M7将差分信号传递至M19的栅极，下面进行定性分析：V_ref为定值，当V_fb远大于V_ref接近于上电位V_IN时，M1打开、M2截止，I_ref电流全部流进M1-M3电路，右侧电路关断。输出电压V_op接近于上电位V_IN电压，由图1结构可知，开关管关断，LDO不工作；而当V_fb逐渐减小至一定值时，M2管会打开，处于线性工作区，其漏端电压会随着V_fb的变化而变化，并将其电压传至M19栅端决定M19是否导通，通过M18、M19的状态决定V_op的电压；随着V_fb继续减小，M1、M2均会处于饱和区，此时电流平均分配给两条支路，电流及电压关系基本固定，将差分运放电路的输出电压传至M19栅端。

右侧为整个电压比较器的输出部分。主要功能是提供稳定的、期望的增益，并获得低噪声性能，不仅要稳定而且还要有良好的性能。而这些要求均取决于放大器的零极点位置。而本文为了减少功耗，放弃了增大偏置电流的方式，而选用加入Miller电容来增加新的极点来提高稳定性^[5]。将非主极点转移到足够高的频率上，使放大器与单极点系统相似。而为了能够提供足够的相位裕度，这个非主极点是GBW的3倍左右，且PM要在60°～70°之间^[4-5]。

另外，本文提出的LDO结构应用在SOC系统中。而在整个SOC系统中，模拟信号和数字信号产生的噪声会相互影响，使其环路稳定性降低[6]。在传统LDO的研究基础上，本文在电压比较运放电路中加入了电源隔离管M11、M17，在正常工作中，电源隔离管关断。这样可实现即使在高频电路中，也能够将电流偏置电路的上电位和输入电压的电源隔离，使其两端的噪声互不干扰^[7-8]。显著提高其电源抑制比，减少高频下的输出纹波，增大其稳定性。

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仿真结果及分析

本文仿真采用的华虹0.18 μm的BCD工艺，仿真工具是Spectre。

3.1 带隙基准仿真分析

基于上述原理，对电路进行瞬态仿真，设置V_IN的电压从0到5 V缓慢上升，上升时间为10 ns。得到带隙基准电压模块输出V_ref为1.261 V。由分析知，整个电路在启动过程中V_ref缓慢上升，通过电路负反馈调节V_ref的大小，最终在6 μs处趋于稳定，如图4和图5所示，说明电路启动过程中工作正常。在此基础上对电路进行DC仿真，置V_IN为直流电压5 V，令温度在-40 ℃~125 ℃范围线性变化，并通过仿真数据计算温漂系数。

3.2 LDO仿真分析

基于上述原理，对LDO整体进行瞬态仿真，设置V_IN的电压从0到6 V缓慢上升，上升时间为10 ns。带隙基准电压V_ref为1.26 V，且电流偏置为5 μA。仿真结果如图6、图7所示，通过分析，整个LDO在启动过程中V_OUT缓慢上升，通过反馈回路来调节V_op的大小，从而控制V_OUT的输出的大小，最终在15 μs处趋于稳定。说明电路启动过程工作正常。可以将6 V的输入电压稳定转换成1.8 V电压，稳定工作时静态电流为82.18 μA。通过电源隔离管以及米勒补偿电容的调整和设计，本文设计的LDO结构的输出电压非常稳定，输出纹波为20 mV，误差范围在0.1%之间。

随后，对LDO整体进行稳定性仿真分析，对整个电路从1 Hz到1 GHz进行仿真。仿真结果如图8所示，通过仿真结果得知，其相位裕度PM=64.280 6°、幅值裕度GM=22.063 7°，通过分析可知，LDO模块在波特图中没有尖峰，说明电路稳定性良好。

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结论

本文介绍了一种基于BCD 0.18 μm工艺的无片外电容的LDO的设计，以理论分析为基础对传统电路结构进行改进。通过两个双极型晶体管的V_BE(负温系数)以及V_BE的差值ΔV_BE(正温系数)的线性叠加产生零温度系数的带隙基准电压，同时采用负反馈电路和滤波电路提高输出电压的温漂系数。此外，基于传统结构设计出新型二级运算放大器结构作为电压比较。通过在运算放大器中加入特定的开关管来对上电位进行隔离，提高了LDO电源抑制比；同时，为解决稳定性不够的问题，引入米勒电容来增加新的极点。通过米勒电容可以有效代替片外电容，这种结构不需要电容的分立器件，在封装时可以减少一个引脚。

参考文献

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[2] 谭传武，周玲，刘红梅，等.LDO调制的电荷泵稳压电路设计[J].国外电子测量技术，2019，38(2)：66-69.

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[8] 初飞，宋奎鑫，赵元闯，等.一种应用于LDO的可编程电流限电路设计[J].电子技术应用，2018，44(4)：23-26.

作者信息:

霍德萱，张国俊

(电子科技大学 薄膜与器件国家重点实验室，四川 成都610054)

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