一种全集成型CMOS LDO线性稳压器设计

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

0 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。

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：