基于0. 35 pm CMOS的高性能LDO稳压器设计刘阳3,,李强3,

随着便携式电子产品的广泛应用，电源管理芯片成为必不可少的关键部分。低压差（LDO：Low线性稳压器是电源管理芯片中的一种，而无片外电容型的LDO稳压器因具有节省芯片面积、应用成本低的特点13，成为行业更加关注的焦点。笔者基于0.35pmCMOS（ComplementaryMetalOxideSemi-conductor）工艺设计了一种高性能无片外电容低压差线性稳压器，其中设计的负载瞬态响应增强结构和电SupplyReectionRatio，RpSRR）增强网络，明显降低了由于芯片受负载变化以及电源基金项目：国家自然科学基金资助项目（61076046）），女，哈尔滨人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事半导体光电器件研究，（Tel）86（E-mail）yz886666噪声干扰对输出电压的影响。采用密勒补偿法保证系统稳定工作，允许输入电压变化范围为3~5V，系统稳定输出为2.8V，负载瞬态响应过冲电压小于55mV，电源抑制比在1MHz时为-46dB，笔者设计的LDO是款综合性能良好的芯片。

1高性能无片外电容LDO稳压器设计方案为笔者设计的无片外电容LDO的系统结构，主要包括误差放大器EA、电源干扰抑制比PSRR增强网络、负载瞬态响应增强网络、补偿电容（Cd、Cc21和Q22）、功率调整元件Mp以及电阻采样网络。

1.1负载瞬态响应增强网络设计在无片外电容LDO负载瞬态响应中，输出电压冲A匕的表达式为08其中W为带宽疋为负载电流瞬间变化时对功率调整元件栅极的充放电流。从式⑴可看出，提高参数/可使输出电压过冲A匕减小，即增强了负载的瞬态响应。笔者通过设计的两条通路产生的电流实现该方案（见）。第1条通路由和Mn7构成，Mg和I构成一个简单的反相器，其跨导比例为。在负载发生瞬间变化时，输出电压V也会随之变化。假设输出电压V增大，通过电阻采样网络使反馈电压Vfb增大，从而误差放大器的输出电压Vea变大，Lea经过反相器Mrf和Mn5，Mn7的栅极电压减小，使流经Mn7的源漏电流变小，等效为流向功率调整元件栅极的电流增大；第2条通路由Mn6、Mp8和Mp9构成，设Mp8和Mp的电流镜像比为a，当误差放大器的输出电压Vea变大时，即Mn6的栅极电压增大，会使流经Mn6的源漏电流增大，Mg和Mp9将电流镜像，使流经Mp9的源漏电流增大，该电流可以看做是另一路流向功率调整元件栅极的充电电流。

综合上面的分析，当负载电流发生瞬间变化时，由所设计的两条通路产生的电流会同时流向功率调整元件栅极，从而加大功率调整元件栅极的充放电流，即其中gm为MOS管的跨导，其下标号与MOS管的下标号相对应。由式（2）可见，若要增大无片外电容低压差线性稳压器的负载瞬态响应特性，可通过以下几种方案实现：增大Mn4和Mn5反相器的跨导比值yS，增大lMn，和Mn6的跨导gmn7和gmn6，或增大Mp8和Mp9的电流镜像比a都可增强无片外电容LDO负载瞬态响应特性。

V时，无片外电容LDO的负载瞬态响应仿真图。当负载电流1内在0.5~100mA之间切换时，输出电压的过冲电压小于55mV，对应的响应时间小于1.9完全可以满足芯片对负载变化的响应。

1.2电源干扰抑制比PSRR增强网络设计首先，对未加入PSRR增强结构的无片外电容LDO的电源干扰抑制比PSRR特性进行分析，由电路分其中ro1，o2，ds为相应的输出阻抗，为拉普拉斯变换。从式（3）可知，未加入PSRR增强结构时，无片外电容LDO的电源干扰抑制比PSRR的主极点为主极点P1严重影响了无片外电容LDO对电源噪声干扰的抑制能力，因为Mmp9和功率调整元件Mmp会将电源上的干扰通过电容Cc1耦合到LDO系统的输出端。为了解决上述问题，引入了所示的电源抑制比PSRR增强网络，由电路分析可知，mpgmp2，mn6，mp6，Q1，QCgdmp9，则电源抑制比从式（5）可知，加入PSRR增强结构后，电源干扰抑制比PSRR的主极点仍为式（4）未加入PSRR增强结构时的电源干扰抑制比PSRR的主极点。但是，加入PSRR增强结构后，引入了一个新的零点，表达式为因此，调整的尺寸，改变其跨导gmp6，便可通过引入该PSRR增强结构产生的零点补偿影响无片外电容LDO电源噪声干扰抑制能力的主极点，使无片外电容LDO的电源干扰抑制比PSRR的频率范围明显变宽，从而达到了增强电路对电源干扰噪声的抑制能力的目的。为负载电流是100mA时，无片外电容LDO的电源干扰抑制能力仿真图，在低频时可达到-80dB左右，在高频1MHz时约为-46dB，具有良好的电源干扰抑制能力。

无片外电容LDO电源干扰抑制比仿真结果2高性能无片外电容LDO稳压器整体仿真结果系统稳定性无片外电容LDO整体仿真结果Fig.a为负载电流是100mA时，无片外电容LDO的稳定性10仿真图，低频增益约为100dB，相位裕度约为69.，此时无片外电容LDO是稳定的。b为无片外电容LDO的输入输出特性，当输入电压为3~5V时，系统能稳定输出电压2.8V；c为负载电流是100mA时，无片外电容LDO的线性调整率（33.7m/V）；d为负载电流从0.5mA变化到100mA的过程中，无片外电容LDO的负载调整率（17.2mm/V）。为高性能无片外电容LDO稳压器的版图，芯片面积为533pmx330pm，并对该版图提取寄生参数进行后仿，结果表明性能良好。

无片外电容低压差线性稳压器版图Fig.5Off-chipcapacitor-freeLDO3结语笔者设计了一种高性能的无片外电容低压差线性稳压器LDO，给出了增强负载瞬态响应特性以及电源干扰抑制能力的电路结构，并针对这种结构进行了理论推导。采用0.35CMOS工艺完成设计，并给出仿真结果，系统在3~5V的输入电压范围内，稳定输出电压为2.8V，电源抑制比在高频1MHz时达到-46dB，负载变化引起的输出电压过冲小于55mV.