一种极低静态电流ldo线性稳压器的设计

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1、一种极低静态电流LDO线性稳压器的设计杨学硕，陆铁军，宗宇（北京微电子技术研究所，北京100076）摘要：在此设计一个具有560nA静态电流、150mA驱动能力的低压差线性稳压器。该LDO采用TSMC0.18μm混合信号CMOS工艺，输出电压是3.3V，输入电压为3.5~5V。低静态电流LDO电路的设计难点是频率补偿和瞬态响应，这里通过引入一个带有负反馈的动态偏置缓冲器，不仅保证了系统在空载到满载整个负载范围内的稳定性，还极大地改善了低静态电流LDO的瞬态响应问题。仿真结果表明，全负载范围内相位裕度最小为65.8°

2、，同时最大的瞬态响应偏差小于10mV。.jyqkAmixed?signalCMOStechnologyisadoptedinLDO，ic?biasingbuffer，andimprovethetransientresponseofloulationresultsshoinimumphasemargininallloadcondi?tionsis65.8°，andthemaximumdeviationoftransientresponseislessthan10mV.KeyA的负载。该电路的创新点在于误差放大器的设计

3、和频率补偿。空载时误差放大器工作在浅饱和区，在不使用大的倒比管的情况下，仅需很小的静态电流，就可保证系统的稳定和直流增益，并配合改进的极点?极点追踪的频率补偿，使得LDO在全负载范围内都能保持稳定。由于负载电容的加入，即使空载时静态电流很小，电路在从满载向空载跳变，空载向满载跳变时，过（欠）冲电压都不会很大。1电路设计由于MOS管的等效输出阻抗ro随漏源电流IDS的减小而增大，并且MOS管的跨导gm随着漏源电流IDS的减小而减小，因此无论是差分放大器、共源级放大器还是源跟随器，它们的等效输出阻抗都随偏置电流的减小而

4、增大。所以在低静态电流LDO中，受到误差放大器尾电流的限制，无法将放大器的极点推到较高的频率上；而且输出极点随负载电流的增大而增大，大概有6个量级的变化，因此低静态电流LDO的一个设计难点是：全负载范围内的系统稳定性[1]。同时尾电流的限制会使得放大器的摆率降低，所以低功耗LDO的另外一个设计难点是：瞬态响应。本文通过引入一个带负反馈的动态偏置缓冲器，不仅解决了LDO频率补偿难的问题，更极大地改善了LDO的瞬态响应。1.1缓冲级的设计对于一般的LDO来讲，通常由3个部分构成：误差放大器、功率级、采样电阻网络。为了增

5、加LDO的驱动能力，功率管的尺寸会比较大，寄生电容也很大，同时误差放大器的输出阻抗又很高，所以很多LDO还会在误差放大器和功率管之间插入缓冲级，使原来的低频极点分裂为2个高频极点。在本文所提出的设计方案中，将引入缓冲级，来降低频率补偿的难度，同时改善瞬态响应。如果缓冲级采用NMOS管，如图1（a）所示，则需要考虑LDO处于空载时的情况。为了保证电路的驱动能力，功率管尺寸通常都很大，此时功率管栅源电压的绝对值小于PMOS管阈值电压的绝对值，功率管只有工作在亚阈值状态才能将漏源电流降到只有采样电流的大小。假如NMOS管

6、的阈值电压

7、VTHN

8、大于PMOS管的阈值电压

9、VTHP

10、，那么为了让功率管处于合适的工作状态，NMOS管的栅端电压需要高于电源电压，这显然超出了误差放大器的输出电压范围。而且在标准N阱CMOS工艺中，NMOS管的衬底都统一和地相连，NMOS缓冲器的源端电压会随着电源电压的上升而上升，它的阈值电压也会变大。因此在电源电压接近其最大值时，更容易导致关断功率管所需要的栅端电压超出误差放大器的输出范围[2]。因此缓冲器采用PMOS管来实现，如图1（b）所示。对于源跟随器连接方式的PMOS管，输出阻抗为，为了进一步降低缓冲

11、级的输出阻抗，Al-Shyoukh提出了一种方式[3]，如图2（a）所示，用一个三极管构成负反馈，此时的输出阻抗为：但是在单阱CMOS工艺中，不提供NPN器件。考虑到工艺的兼容性，本文使用NOMS替代NPN，如图2（b）所示。此时的输出阻抗变为：虽然负反馈的引入会增加额外的电流开销，但是相对于它对输出阻抗降低所做出的贡献，也是值得的。所谓的动态偏置缓冲器，就是让缓冲器的偏置电流和负载电流相关。只需在原来的偏置电流的基础上，再加入一个PMOS管，使PMOS的栅源和功率管的栅源连在一起，如图3所示。这样，缓冲器的输出极

12、点也会跟随输出极点的变化而变化，降低频率补偿的难度。更重要的是，LDO的摆率也会随着偏置电流的变大而变大，从而改善瞬态响应，而且这种方法不会增加电路在空载时的电流消耗。1.2误差放大器的设计误差放大器是LDO线性稳压器的核心模块，它的直流增益决定着输出电压的精度。如果误差放大器使用一级结构，低频增益小，电路的直流参数不会太好；由于电路引入了缓冲级，所以再使用