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一种全集成型CMOS LDO线性稳压器设计
来源:本站整理  作者:佚名  2011-07-26 15:22:02



    摘要:设计了一种基于0.25 μm CMOS工艺的低功耗片内全集成型LDO线性稳压电路。电路采用由电阻电容反馈网络在LDO输出端引入零点,补偿误差放大器输出极点的方法,避免了为补偿LDO输出极点,而需要大电容或复杂补偿电路的要求。该方法电路结构简单,芯片占用面积小,无需片外电容。SpeCTRe仿真结果表明:工作电压为2.5 V,电路在较宽的频率范围内,电源抑制比约为78 dB,负戢电流由1 mA到满载100 mA变化时,相位裕度大于40°,LDO和带隙电压源的总静态电流为390μA。
    关键词:线性稳压电路;频率补偿;频率稳定性;瞬态响应

    引言
    随着便携式电子设备的广泛使用,系统集成度越来越高。对于数/模混合的片上系统中,数字电路对模拟电路的干扰加大,因此模拟电路与数字电路需要施加独立电源,以减小数/模混合带来的相互干扰以及动态调整功耗。全集成型LDO线性稳压器可以用来为系统中各子模块单独供电,具有抑制电源噪声,减小干扰,同时消除键合线电感引入的瞬态脉冲的优点,此外还可以减小片外器件和芯片引脚,所以全集成型LDO线性稳压器成为片上系统(SoC)型集成电路中不可或缺的模块。由于LDO的负载电流变化大,且调整管尺寸较大,为满足LDO的稳定性要求,必须对LDO进行频率补偿。传统方法是利用负载电容的ESR进行补偿,但是,全集成型LDO不允许使用片外电容,因此设计一个不需片外电容,稳定,响应速度快的LDO是面临的主要挑战。

    1 LDO原理与频率补偿
    LDO线性稳压器的传统电路结构如图1所示,由误差放大器,缓冲器,调整管M0,分压电阻RF1,RF2,以及片外滤波电容C0和其寄生的等效串联电阻RESR组成。片外电容C0和RESR组成的零点用来抵消LDO中第2个极点,从而达到环路稳定。当没有片外电容补偿时,由于输出负载电流变化大,LDO的输出极点变化大,环路稳定性设计变得困难。Leung提出了衰减系数控制频率补偿法(DamPINg Factor Control Compen-sation,DFC)和引入零点补偿,在稳定性,响应时间方面具有较好的特性。Milliken采用在调整管的输入端和输出端之间加入一个微分器,将调整管输入节点和输出节点的2个极点分离,从而在只使用片内电容时依然保持稳定。Kwok使用动态密勒电容补偿技术,通过串联一个在线性区工作的PMOS管作为动态可调电阻,在误差放大器的输出端引入一个动态零点抵消LDO的输出极点,实现系统稳定。本文中则采用在负载端引入零点,补偿误差放大器输出极点的方法,避免了为补偿LDO输出极点,而需要大电容和动态调整电阻的要求,且减小了需要的补偿电容值,降低了芯片面积。

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    2 电路设计
    图2为所设计的LDO线性稳压器电路,误差放大器为折叠式共源共栅结构,由M1~M14组成,M0为输出调整管,反馈网络由RF1,RF2和CF1组成,电容CC为误差放大器的补偿电容。
    图2中电阻电容反馈网络的传输函数为:
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