吉林大学电子科学与工程学院 胡冰妍 常玉春 李海彬

压控电流源补偿无片外电容LDO

吉林大学电子科学与工程学院 胡冰妍 常玉春 李海彬

LDO具有电路简单，高电源抑制比，面积小等优点。但是在节约成本的前提下提高LDO的稳定性始终是一个难题。本文采用的LDO为VCCS补偿方式。这种方式可以有效提高环路稳定性，减小片上电容面积。

LDO；片上补偿电容；VCCS；频率补偿

LDO（Low Dropout Voltage Linear Regulator），即线性稳压器，是一种常见的电源管理芯片，它具有集成度高，电源抑制比值高，噪声低等优点，广泛地应用在直流供电系统中。传统LDO为了保持环路的稳定性，需要在片外加一个电容。近年来，随着手持智能终端的迅猛发展，无片外电容LDO应运而生。然而，由于片上无法集成大尺寸电容，导致系统稳定性变差。针对这个问题，本文采用了压控电流源（VCCS）补偿的方法，实现用极小的片上电容（本文采用了0.9pF的电容)产生零点从而进行频率补偿，从而使整个电路系统达到稳定。同时，本方法减小了版图面积，降低了芯片成本。

VCCS方案进行频率补偿的LDO的设计的核心思想是在所加入的VCCS模块中通过1：m电流镜镜像，将流经片内电容C1的电流信号sC1VOUT放大m倍，进而将C1产生的零点放大m倍，这就意味着可以使用极小的片内补偿电容即可产生所需的零点。同时VCCS模块中的跨导增强型放大器将VCCS产生的极点推到高频处，从而实现系统的稳定性。本设计的LDO输入电压为1.2V，输出电压为1.8V，最大负载电流30mA，环路带宽1MHz，相位裕度大于40°，片上补偿电容为0.9pF，输出电容为1nF,LDO本身功耗为112μA。

1 LDO的结构和工作原理

如图1所示，本设计的LDO线性稳压器主要由误差放大器（EA）、功率调整管Mp、基准电压源Vref、反馈比例电阻网络R1，R2和VCCS补偿模块等组成。通过反馈网络将反馈电压输入到误差比较器的同相端，与负相端的基准电压源进行比较。两电压差值通过误差放大器的放大后直接控制功率调整元件的栅源电压，通过改变调整元件的导通状态来控制LDO的输出端，从而在电源电压或负载电流变化时获得稳定的输出电压值。

（1）误差放大器

本文中的误差放大器如图2所示。误差放大器采用的是两级误差放大器，第一级差分输入单端电流镜输出，第二级则是共源放大器。

（2）VCCS频率补偿电路

由下图1可知，VCCS模块相当于一个电容并联在Rf1两端，这将产生一个零点对反馈环路进行补偿。

图3为VCCS模块的示意图。由图3可知：

图1 LDO整体结构示意图

图2 误差放大器示意图

图3 VCCS结构示意图

由公式 (1)(2)(3)可推导出：

由于：

再由于1：m电流镜的作用，C1的作用被放大m倍。跨导放大器，电流镜以及较大的Rf1共同作用减小了C1的数值。所以本设计仅使用0.9pF的片上电容来补偿LDO环路的稳定性。

由图1和图3知，VCCS产生的零点为：

由公式(5)可知，零点的位置可由Rf，m和C1共同调节，这就实现了用较小电容得到较大零点的目的。本文的LDO主极点为负载电容极点，次极点为功率管极点。VCCS产生的零点将在次极点位置进行补偿。

2 仿真验证

2.1 AC仿真验证

电路设计完成后，将要进行AC仿真，DC仿真，TRAN仿真等来验证电路的性能。AC仿真为交流小信号仿真。本文应用的AC仿真频率范围为1Hz至1GHz。

图4 负载为6k时电路的AC仿真结果

图5 负载为60Ω的电路AC仿真结果

LDO环路在6kΩ（见图4）电阻负载情况下的仿真结果为环路增益102dB，带宽910kHz，环路相位裕度40.17°。

LDO环路在AC仿真中（见图5）60Ω电阻负载情况下，环路增益100dB，带宽4.76MkHz，环路相位裕度82.5°。

2.2 TRAN仿真验证

瞬态仿真是为验证电路的负载跳变稳定性，输出电流的周期为1μs，跳变幅度为0mA至30mA。

图6 负载从0.3mA到30mA变化时LDO的瞬态响应

LDO在瞬态仿真中当负载电流从0.3mA上升到30mA时，输出电压稳定在1.79V。2.3 版图设计

图7 整体版图

如图7所示，整体版图中最下面的部分为功率管Mp，右侧的部分为VCCS模块，最上面的部分为基准电压源Vref，电阻反馈RES和误差放大器AMP位于版图的中间部分。在绘制版图过程中，为减少各模块间走线长度，消除寄生参数对电路的影响，以及获得更好的匹配性，我们首先对电路中各子模块进行总体布局，根据确定好的整体版图及I/O的位置，合理的分配各子模块版图位置及信号连接方式等。对于复杂的LDO电路来说，好的布局不仅可以减小芯片面积，还能防止信号间的干扰，减小噪声，从而保证芯片性能。

经仿真验证，电路达到的性能指标如表1所示：

基于像素电荷补偿的超宽动态范围CMOS图像传感器研究（项目批准号：61274023）。