摘  要： 設計了一種基于電容倍增的無電容式LDO，將電容倍增模塊嵌入到了誤差運算放大器的第一級，提升了系統的環路帶寬，有良好的瞬態響應。電路通過0.13 m標準CMOS工藝仿真實現，仿真結果顯示，系統靜態功耗為42 W，當負載從0~50 mA變化時，電壓最大波動為87 mV，建立時間為2.5 s。

　　關鍵詞： LDO；電容倍增；瞬態響應

0 引言

　　作為電源管理芯片中重要的一員，低壓差線性穩壓器（Low-Dropout regulator，LDO）因其紋波低、噪聲低、體積小等優點被廣泛應用到各種便攜式電子產品（如手機、PDA等）中。傳統的LDO利用片外大電容穩定其輸出電壓，但是不易于系統集成[1-3]。與傳統的LDO相比，無電容式LDO不需要較大的片外電容，易于系統集成，然而其穩定性和瞬態響應成為設計的難點。為了保證無電容式LDO的穩定性，通常利用米勒效應來實現極點分類，為了達到足夠的相位裕度，通常需要采用較大的米勒補償電容，消耗較大的芯片面積。參考文獻[4]提出了一種經典的電容倍增技術，但是其電容倍增系數受到電流鏡電流之比的限制；參考文獻[5]提出的電容倍增技術能提高電容倍增系數，有效地減小所需補償電容的面積，但由于誤差放大器輸出節點的非對稱性，為系統引入了失調，影響了LDO的線性調整率。

　　本文提出LDO結構，將電容倍增技術嵌入到第一級，使得第一級完全對稱，且能提高環路帶寬，提高了環路瞬態響應速度，電路采用0.13 m標準CMOS工藝仿真實現。

1 電容倍增技術

　　參考文獻[1]提出的電容倍增技術如圖1（a）所示，該技術基于電流模式實現，其原理為：采樣流過電容的電流，通過電流鏡實現放大后再反饋到電容的另一端，以實現電容倍增效果。其等效電容為（1+k），其中k為電流鏡的放大系數。

　　參考文獻[2]采用的電容倍增技術如圖1（b）所示，在M1的柵極和漏極之間插入了一個電阻Re，同樣能實現自偏置效果，無需額外的偏置電路。A點仍為低阻節點，但是B點不再是低阻節點，因此流過Cm的電流通過Re和M1放大成電壓V1，然后通過M2再次轉換成電流。其等效電容可表示為：

　　Ceq=（1+k）gm1RbCm（1）

　　從式（1）可以看出，其等效電容與參考文獻[1]中提出的電容倍增技術相比，提高了gm1Re倍，因此對于固定的負載電容，所需要的片上補償電容大大減小。

2 LDO電路設計

　　本文提出的LDO結構如圖2所示，主要包括三部分。第一級全對稱的運算放大器由M0~M8和電阻Re組成，其中包括由M3、Re、M5和M4、Re、M6組成的電容倍增模塊，該模塊嵌入第一級，與參考文獻[2]相比，功耗減小了。同時第一級為完全對稱結構，因此能減小失調。第二級運算放大器由功率管Mp和采樣電阻組成。第三部分為頻率補償部分。Vref為帶隙基準源產生的基準電壓；Cm為米勒補償電容；RL為負載電阻；CL為負載電容，為100 pF。

　　為了分析環路的穩定性，求出其傳輸函數為：

　　其中，gmi為Mi的跨導，R1為第一級輸出電阻，Ro為第二級輸出阻抗，C1為第一級輸出電容，其值分別為：

　　Ro=（R1+R1）//Rp//RL（3）

　　C1=Cgs_p+ApassCgd_p（4）

　　Adc和pd為運算放大器的直流增益和主極點，分別為：

　　Adc=kgm1gmpR1Ro（5）

　　由式（7）可以看出，本文提出的LDO結構具有大的電容倍增系數，同時與參考文獻[5]相比，GBW提升了k倍，因此具有更好的瞬態特性。

3 仿真實驗

　　為了驗證本文所提出的LDO的合理性，對圖2所示的電路采用0.13 μm 標準CMOS工藝仿真驗證，當工作溫度為25℃、輸入電壓為1.2 V、輸出電壓為1 V、負載電容為100 pF時，由于采用了本文提出的電容倍增技術，片上補償電容僅為0.8 pF?？蛰d和負載為50 mA時，LDO環路頻率響應曲線如圖3所示。

　　仿真結果顯示，在0~50 mA全負載范圍內，最小增益為45.66 dB，單位增益帶寬為570 kHz，相位裕度為60°，反饋環路具有很好的穩定性。同時由于將電容倍增模塊嵌入到了誤差運算放大器的第一級，因此提高了環路的單位增益帶寬。

　　當負載從空載跳到50 mA然后再跳回空載時，系統的瞬態響應如圖4所示。仿真結果顯示，上沖電壓為87 mV，調整時間為2.5 s；下沖電壓為49 mV，調整時間為2.0 s，由于系統單位增益帶寬得到了提升，因此具有良好的瞬態響應特性。

4 結論

　　本文設計了一種新型的LDO，分析了電容倍增技術的原理，且將電容倍增模塊嵌入到了誤差運算放大器的第一級，提升了系統的環路帶寬，有良好的瞬態響應。電路通過0.13 m標準CMOS工藝仿真實現，結果顯示，系統靜態功耗為42 W，當負載在全負載范圍變化時，電壓波動最大為87 mV，建立時間為2.5 s，能夠滿足SoC系統中供電電源的要求。

　　參考文獻

　　[1] 應建華，黃楊，黃萌，等.基于電容倍增技術的LDO補償方法[J].微電子學與計算機，2009，26（11）：102-105.

　　[2] 劉明亮，明鑫，歐雪春，等.一種帶過溫保護和折返電流限的LDO設計[J].微電子學與計算機，2011，41（3）：411-415.

　　[3] LIN H C， WU H H， CHANG T Y. An active-frequency compensation scheme for CMOS Low-Dropout regulators with transient-response improvement[J]. IEEE Transactions on Circuits And Systems-II： Express Briefs， 2009，55（9）：853-857.

　　[4] GABRIEL A， RINCON-MORA. Active capacitor multiplier in miller-compensatedcircuits[J]. IEEE Transactions on Solid-State Circuits， 2000， 35（1）：26-32.

　　[5] MILLIKEN R J， Silva-Martínez Jose， Sánchez-Sinencio Edgar. Full on-chip CMOS Low-Dropout voltage regulator[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I： Regular Papers， 2007，54（9）：1879-1890.

　　[6] 王晉雄，原義棟，張海峰.一種高線性調整率無電容型LDO的設計[J].電子技術應用，2012，38（11）：44-47.