低功耗寬頻帶LDO線性穩壓電路設計

1 引言

　　隨著集成電路規模的發展， 電子設備的體積、重量和功耗越來越小， 這對電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來越高的要求。而隨著片上系統（ SOC） 的不斷發展， 單片集成的LDO 線性穩壓器的應用也越來越廣泛[1]。對于片內的LDO，最擔心的是寄生電容過大引起不穩定，論文針對片內應用而設計的這款LDO，能保證在uF 級別的寄生電容范圍內都可以正常工作，畢竟寄生電容再大也不至于是μF 級別的。功耗是LDO 線性穩壓器的重要指標之一，一般的LDO 功耗都在幾十μA 以上，例如文獻[2]中電路的靜態電流為38μA，文獻[3]中靜態功耗高達65μA， 而本文的靜態功耗做到10μA 左右，不僅功耗低，本文中第二級靠電阻的電流關系提供了一個小增益級，并且提高了整個LDO的帶寬。

　 2 LDO電路組成原理與關鍵模塊設計

2.1 電路基本工作原理

　　圖1 是LDO 線性穩壓器的結構框圖， 由下面幾個部分組成：基準電壓源（Vref）、誤差放大器、同相放大器、反饋電阻網絡、調整管等。其中基準電壓源輸出參考電壓Vref, 要求它精度高， 溫漂小。誤差放大器將輸出反饋回來的電壓與基準電壓Vref 進行比較， 并放大其差值，其經過同相放大器來控制調整功率管的狀態， 因而使輸出穩定。在這里C1 是前饋電容，可以提高負載調整率，并增加了一個左零點補償，Cff提供一個零點補償。第一級放大器就是一個差分對，和大多數誤差放大器結構一樣，第二級為同相放大級，靠電阻的電流關系提供一個小增益級，并控制帶寬。相對于普通結構而言的，如果靠運放直接驅動功率管，那帶寬就被功率管的寄生電容和運放輸出阻抗和增益決定了，而這個結構的增益和輸出阻抗，相比運放小很多，帶寬自然就提高很多。表1 為該LDO 的主要設計參數和性能指標。

圖1 LDO 線性穩壓器結構示意圖

表1 LDO 的設計參數和性能指標

　　2.2 電路組成與設計

　　（1）調整管結構設計：MOS 型線性穩壓器的調整管是電壓驅動的， 能大大降低器件消耗的靜態電流， 而且其較小的導通阻抗使得漏失電壓也比較低，從而提高了電源的轉換效率[4]。根據調整管的平方率關系式以及設計指標Vdropout ≈ 200mV，可以計算出調整管的寬長比， 結合調整管的柵極寄生電容以及工藝的要求，在重載情況下考慮調整管需工作在線性區， 將調整管的寬長設計為：W=6000μm，L=0.5μm。

　　（2）電阻R1 與R2 選擇：輸出電壓由反饋網絡決定，根據VOUT =VREF[（R1+R2）/R1]，當選定的VREF=1.25V，R1 = 625KΩ，那么R2 = 625KΩ。

　 2.3 誤差放大器（EA）設計

　　誤差放大器電路原理圖如圖2 所示。對該EA部分功耗（3μA）以及低的失調電壓的要求，根據σ²（V_T）= A^2_VT / WL+S²_VTD²以及MOS 管的平方率關系[5]，設計出各MOS 管的尺寸，M1 和M2 的寬長比為41/2, M3 和M4 的寬長比為4/1，M5 和M6 的寬長比為2/1， 我們這里取W1=W2=82μm,L1=L2=4μm；W3=W4=12μm,L3=L4=3μm;W5=W6=8μm,L5=L6=4μm。實際上，在EA 這部分為了讓這一級增益Ger 不小于10dB 且保證有足夠的相位裕度，將反饋電容C_FF設計為20.8pF，把C1 設計為1.5pF。該部分的仿真結果如圖3 所示。結果表明，該設計在保證穩定的前提下Ger 為11dB[6]。

圖2 EA 與反饋網絡

圖3 EA 的環路增益

　　2.4 同相放大器設計

　　同相放大器電路結構如圖4 所示。這一級主要是獲得整個環路最大的增益Gnon- inv=25dB~30dB。

圖4 同相放大器結構為保證低功耗的前提下I1設為5μA,I2設為3μA，在小的偏置電流以及較大的負載的情況下為了保證能得到不小于25dB 的增益，把RF設計為500K。由于同相放大器的增益隨負載的增加而減小，在設計中需要適當增加偏置電流I1 和增加RF的值[7]。而帶寬受M2 的跨導和調整管的W/L 的影響，需要增加M2 的W/L 以及偏置電流I2。圖中M1 的寬長比為4/1, 這里取W1=30μm,L1=3μm，M2 的寬長比為110/1,取W2=110μm,L2=1μm。仿真結果如圖5 所示。

圖5 同相放大器的增益