摘 要：基于上华0.5 μm工艺设计了用于DC/DC的CMOS低压差线性稳压器,其输入电压为3.3 V，输出电压为1.2 V，最大输出电流为100 mA; 提出了一种补偿网络，保证负载电流发生变化时，LDO具有高稳定性。此外，还设计了一种瞬态响应改善电路来提高负载瞬态响应。仿真结果表明，该 LDO在不同负载情况下的相位裕度均为80°，流片测试结果显示瞬态响应良好。
关键词：补偿网络； 低压差； 瞬态响应

众所周知，稳定性是低压差线性稳压器的一个重要指标，传统LDO通常采用ESR电阻与输出电容串联产生的零点来抵消次极点以保证稳定性[1-4]，但当负载电流变化很大时，次极点位置会发生显著变化，导致ESR零点不能跟踪极点的变化，从而影响LDO的稳定性。而且如果在负载电流跳变瞬间，输出电压欠冲或过冲则会直接影响后续电路模块的正常工作[5]。本文设计的LDO主要用于DC/DC中带隙基准参考源的输出端，既可以达到滤波的目的，又可以提高输出电压的稳压精度。该LDO线性稳压器能够在输出端负载电流发生跳变时，一方面保证其输出具有良好的瞬态响应能力，另一方面其环路增益和相位裕度不会发生太大变化。
1 补偿网络分析
图1所示为本文提出的带补偿网络的LDO结构，其中VIN为DC/DC输入端电压(为3.3 V），VREF为带隙基准源提供的参考电压(为1.2 V）。MP为P型调整管， M2～M5组成的负反馈可以将M1的漏极电压箝位到与MP漏极电压相同，从而使M1能够准确地感应调整管MP的电流。当负载电流增大时，M1采样到MP电流的变化，从而M2、M4电流增大，使得M4的Vgs增大， M6、M7电流增大，使得M8输出电阻减少，从而M8与CC组成的零极点向高频移动。同理，当输出电流减少时，M8电阻增大，与CC组成的零极点向低频移动。因此，M8相当于一个可调电阻，其阻值根据负载电流变化而变化，只要合理选择电容CC和M8的尺寸就可以很好地跟踪输出端极点，能够起到补偿稳定性的作用。

2 LDO结构分析
图3所示为LDO的整体结构图。为了保证环路增益，误差放大器的增益应该设计得足够大。该LDO误差放大器采用对称式共源共栅电流镜结构，能够在很大程度上提高LDO的环路增益。由于LDO第二级采用的是PMOS形式的Buffer结构，对输出电压有一定的下拉作用，从而对负载电流增大导致的输出电压下跳具有改善作用，所以该瞬态响应改善电路主要是解决负载电流下降导致输出电压上跳的情况。图中虚线框为本文提出的瞬态响应改善电路，由于M28与M29之间存在固有的失调，当负载电流保持不变或减少时，Q点为高电平，M30导通，通过M10向VG点注入电流，MP的栅极电压增大，使得输出电压VOUT减小，从而减少了由于负载电流跳变而导致的上冲电压；当负载电流增大时，输出电压下降，此时Q点为低电平，M30关闭，对电路没有影响。

由第1节的分析可知，当负载电流增大时，次极点p2向高频移动，通过反馈使得A点电压下降，由于感应电容CF的存在，C点能快速跟随A点变化，从而C点电压以及M8的栅极电压下降，导致M8的输出电阻下降，从而z1瞬间向高频移动，同理，当负载电流减少时，次极点p2向低频移动，通过反馈使得A点电压上升，通过CF，C点能快速跟随A点变化，从而M8的栅极电压升高，导致M8的输出电阻增大，从而z1瞬间向低频移动。所以，通过感应电容CF，补偿零点z1能够快速地跟随p2，而不是经过M1～M7组成的负反馈，就能够快速地补偿负载电流跳变而带来的稳定性问题。由于CF只有300 fF,所以对系统稳定性的影响可以忽略不计。
3 仿真和测试结果
图4为负载电流分别为1 mA和100 mA时的LDO稳定性仿真图。当负载电流为1 mA时，输出极点和补偿零点处在低频处；当负载电流为100 mA时，补偿零点跟随输出极点移到高频处，环路增益和相位裕度分别为82 dB和80°。

图5为LDO改进前后负载瞬态响应仿真结果对比，图中上面波形为改进前(即未加瞬态响应提高电路)的LDO输出电压，中间波形为改进后(即加了瞬态响应提高电路)的LDO输出电压，下面波形为负载电流。由图5可知，改进前的欠冲电压(undershoot)和过冲电压(overshoot)分别为199 mV和154 mV左右，改进后分别为81 mV和80 mV。

图6为LDO负载电流在变化范围50 mA～100 mA时瞬态响应测试结果，图中上面波形为LDO的输出电压，下面波形为负载电流。由图6可知，负载电流从100 mA跳变到50 mA时，输出电压过冲电压为50 mV左右；负载电流从50 mA跳变到100 mA时，输出电压欠冲61 mV。
图7为LDO负载电流在变化范围1 mA～100 mA时的瞬态响应测试结果，图中上面波形为LDO的输出电压，下面波形为负载电流。由图7可知,负载电流从1 mA跳变到100 mA时，输出电压欠冲电压为88 mV左右；负载电流从100 mA跳变到1 mA时，输出电压过冲97 mV。
在tt corner下，LDO参数仿真和测试的结果统计如表1所示。

通过以上分析和仿真结果可知，采用本文设计的补偿网络结构和瞬态响应改善电路获得了高稳定性和快速瞬态响应的低压差线性稳压器,当负载电流在1 mA～100 mA变化时，LDO的相位裕度始终保持在80°左右，而且电源抑制比(PSRR)良好。通过样片测试可知，undershoot和overshoot电压都小于100 mV。因此，本文提出的瞬态响应改善电路和补偿网络对LDO的性能有很大程度的提高。
参考文献
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