淺談低電壓低靜態(tài)電流LDO的電路設計

　　式中：ro1 和C1 分別是增益級輸出電阻和負載電容；ro2是緩沖級輸出電阻；Cpar 是功率管寄身電容；rop 是LDO輸出級的等效電阻；CL 為輸出負載補償電容。為了保證LDO有個良好的輸出暫態(tài)特性，CL 取值一般很大，因此極點p3 為LDO環(huán)路的主極點。晶體管Q3集電極電流偏置為PTAT電流，因此增益級的輸出阻抗隨輸出負載電流和輸入電壓變化不大，同時增益級的負載電容主要由緩沖級輸入電容決定，所以極點p1 位置相對穩(wěn)定，故可以采用一個左半平面的零點補償。類似如傳統(tǒng)LDO，本文采用一個電阻resr 與輸出補償電容串聯(lián)方式，獲得一個左半平面零點：

　　基于上述分析，精簡結(jié)構(gòu)LDO的開環(huán)傳輸函數(shù)為：

　　式中.其中：gmQ2 ，gmQ3 和gmp 分別代表晶體管Q2，Q3和功率管的跨導；Rπ 3 是晶體管Q3的輸入電阻。當p1 和z1 匹配比較精確，LDO環(huán)路只有兩個低頻極點p2 和p3 。因此，為了獲得60°的相位裕度，必須：

　　2 電路設計與實現(xiàn)

　　本文所提的低電壓、低靜態(tài)電流的精簡結(jié)構(gòu)的LDO如圖2所示。LDO的輸出級是一個A類共源級電路，包括PMOS功率管M1，三極管Q1、Q2，電阻R1，R2，R3，Resr和輸出負載補償電容C1.功率管M1有非常大的寬長比來驅(qū)動比較大的負載電流。因此M1的溝長選取最小的值，達到盡可能小的寄身電容和尺寸面積。為了獲取好的暫態(tài)輸出特性以及環(huán)路穩(wěn)定，輸出補償電容取5 μF.帶隙基準電路包括三極管Q1，Q2，Q3和電阻R1，R2，R3.選取Q2的射級面積為Q1和Q3的射級面積8倍，這是Q2面積和R2阻值折中結(jié)果。三極管Q3和晶體管M6構(gòu)成一個共集電極的電路，為環(huán)路提供高增益。緩沖級包括晶體管M2，M3和M4.因為NMOS源跟隨器，在低負載情況下并不能完全關(guān)斷功率管，PMOS源跟隨器并不適合本電路的1.35低電壓環(huán)境，所以選用了二極管連結(jié)的PMOS負載共源級電路作為緩沖級。這種結(jié)構(gòu)不僅獲得低的輸出阻抗，同時達到180°的相位偏移，使整個閉環(huán)環(huán)路構(gòu)成一個負反饋。M3作用是在低負載電流的情況是為M4提供一些偏置電流，否則可能出現(xiàn)M4的柵源電壓過低，導致三極管Q3進入飽和狀態(tài)，降低Q3的電流增益，影響帶隙基準電壓的精確度。通過Q4和M7構(gòu)成的偏置電路，使得三極管Q1，Q3有相等的集電極電流。晶體管M5，M8和M9構(gòu)成LDO的啟動電路。在剛有電壓輸入情況下，M8和M9構(gòu)成一個反相器輸出一個低電壓信號，使M5導通來啟動整個電路。

　　3 電路仿真結(jié)果

　　基于CSMC 0.5 μm 雙阱CMOS 工藝仿真模型，采用Cadence仿真軟件對精簡結(jié)構(gòu)LDO進行了三個工藝角（tt，ff，ss）下仿真驗證。這個系統(tǒng)設計指標的是讓LDO驅(qū)動最大30 mA的負載電流，同時保持輸出電壓穩(wěn)定在1.14 V，輸入電壓最小為1.35 V.LDO 的溫漂曲線如圖3所示。

　　通過采用補償電容外接串聯(lián)電阻的方法，創(chuàng)造一個左半平面的零點來補償一個非主極點，讓電路獲得比較好的環(huán)路相位裕度，在三個工藝角下，相位裕度都能達到70°（見圖4）。