低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计
1 引言
随着集成电路规模的发展， 电子设备的体积、重量和功耗越来越小， 这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。而随着片上系统（ soc） 的不断发展， 单片集成的ldo 线性稳压器的应用也越来越广泛[1]。对于片内的ldo，最担心的是寄生电容过大引起不稳定，论文针对片内应用而设计的这款ldo，能保证在uf 级别的寄生电容范围内都可以正常工作，毕竟寄生电容再大也不至于是μf 级别的。功耗是ldo 线性稳压器的重要指标之一，一般的ldo 功耗都在几十μa 以上，例如文献[2]中电路的静态电流为38μa，文献[3]中静态功耗高达65μa， 而本文的静态功耗做到10μa 左右，不仅功耗低，本文中第二级靠电阻的电流关系提供了一个小增益级，并且提高了整个ldo的带宽。
2 ldo电路组成原理与关键模块设计
2.1 电路基本工作原理
图1 是ldo 线性稳压器的结构框图， 由下面几个部分组成：基准电压源（vref）、误差放大器、同相放大器、反馈电阻网络、调整管等。其中基准电压源输出参考电压vref, 要求它精度高， 温漂小。误差放大器将输出反馈回来的电压与基准电压vref 进行比较， 并放大其差值，其经过同相放大器来控制调整功率管的状态， 因而使输出稳定。在这里c1 是前馈电容，可以提高负载调整率，并增加了一个左零点补偿，cff提供一个零点补偿。第一级放大器就是一个差分对，和大多数误差放大器结构一样，第二级为同相放大级，靠电阻的电流关系提供一个小增益级，并控制带宽。相对于普通结构而言的，如果靠运放直接驱动功率管，那带宽就被功率管的寄生电容和运放输出阻抗和增益决定了，而这个结构的增益和输出阻抗，相比运放小很多，带宽自然就提高很多。表1 为该ldo 的主要设计参数和性能指标。
图1 ldo 线性稳压器结构示意图
表1 ldo 的设计参数和性能指标
2.2 电路组成与设计
（1）调整管结构设计：mos 型线性稳压器的调整管是电压驱动的， 能大大降低器件消耗的静态电流， 而且其较小的导通阻抗使得漏失电压也比较低，从而提高了电源的转换效率[4]。根据调整管的平方率关系式以及设计指标vdropout ≈ 200mv，可以计算出调整管的宽长比， 结合调整管的栅极寄生电容以及工艺的要求，在重载情况下考虑调整管需工作在线性区， 将调整管的宽长设计为：w=6000μm，l=0.5μm。
（2）电阻r1 与r2 选择：输出电压由反馈网络决定，根据vout =vref[（r1+r2）/r1]，当选定的vref=1.25v，r1 = 625kω，那么r2 = 625kω。
2.3 误差放大器（ea）设计
误差放大器电路原理图如图2 所示。对该ea部分功耗（3μa）以及低的失调电压的要求，根据σ2（vt）= a2vt / wl+s2vtd2以及mos 管的平方率关系[5]，设计出各mos 管的尺寸，m1 和m2 的宽长比为41/2, m3 和m4 的宽长比为4/1，m5 和m6 的宽长比为2/1， 我们这里取w1=w2=82μm,l1=l2=4μm；w3=w4=12μm,l3=l4=3μm;w5=w6=8μm,l5=l6=4μm。实际上，在ea 这部分为了让这一级增益ger 不小于10db 且保证有足够的相位裕度，将反馈电容cff设计为20.8pf，把c1 设计为1.5pf。该部分的仿真结果如图3 所示。结果表明，该设计在保证稳定的前提下ger 为11db[6]。
图2 ea 与反馈网络
图3 ea 的环路增益
2.4 同相放大器设计
同相放大器电路结构如图4 所示。这一级主要是获得整个环路最大的增益gnon- inv=25db~30db。
图4 同相放大器结构为保证低功耗的前提下i1设为5μa,i2设为3μa，在小的偏置电流以及较大的负载的情况下为了保证能得到不小于25db 的增益，把rf设计为500k。由于同相放大器的增益随负载的增加而减小，在设计中需要适当增加偏置电流i1 和增加rf的值[7]。而带宽受m2 的跨导和调整管的w/l 的影响，需要增加m2 的w/l 以及偏置电流i2。图中m1 的宽长比为4/1, 这里取w1=30μm,l1=3μm，m2 的宽长比为110/1,取w2=110μm,l2=1μm。仿真结果如图5 所示。
图5 同相放大器的增益
3 ldo 整体仿真结果与讨论
我们基于hhnec 0.35um bcd 工艺下，采用cadence 和hspice 仿真软件对整体电路做仿真，如图6 所示为ldo 环路稳定性仿真曲线。
（a）负载电流为50ma 仿真曲线
（b）负载电流为0 时仿真曲线
图6 ldo 环路稳定性仿真曲线
（a） 图为负载电流为50ma 时，ldo 环路增益为50db、单位增益带宽为470khz、相位裕度为74degree。（b）图为负载电流为0 时，ldo 环路增益为63db、单位增益带宽为1khz、相位裕度为87degree。图7 给出了该ldo 的线性调整率曲线，仿真条件为c l=1μf, 由仿真曲线可以看出该ldo 的线性调整率为：
图7 cl=1μf 线性调整率曲线
图8 给出了该ldo 的负载调整率曲线，仿真条件为cl=1μf, 由仿真曲线可以看出该ldo 的负载调整率为：
图8 cl=1μf 负载调整率曲线
图9 给出了该ldo 的电源抑制比仿真曲线，仿真条件为il=1ma。从该曲线可以看出，该ldo 的psrr 在1khz时为- 60db。
图9 电源抑制比仿真曲线
4 结论
本文提出的这款ldo 线性稳压器，能保证在μf 级别的寄生电容范围内都可以正常工作。
该ldo 的静态电流低至10μa,文中同相放大器的引入，提高了整个ldo 的带宽。从仿真结果可以看出，在负载电流iload=50ma 时，带宽为470khz。
该ldo 其它各方面指标都满足设计要求。
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图1 ldo 线性稳压器结构示意图
表1 ldo 的设计参数和性能指标
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（2）电阻r1 与r2 选择：输出电压由反馈网络决定，根据vout =vref[（r1+r2）/r1]，当选定的vref=1.25v，r1 = 625kω，那么r2 = 625kω。
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图7 cl=1μf 线性调整率曲线
图8 给出了该ldo 的负载调整率曲线，仿真条件为cl=1μf, 由仿真曲线可以看出该ldo 的负载调整率为：
图8 cl=1μf 负载调整率曲线
图9 给出了该ldo 的电源抑制比仿真曲线，仿真条件为il=1ma。从该曲线可以看出，该ldo 的psrr 在1khz时为- 60db。
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