摘 要： 设计了一种基于电容倍增的无电容式LDO，将电容倍增模块嵌入到了误差运算放大器的第一级，提升了系统的环路带宽，有良好的瞬态响应。电路通过0.13 m标准CMOS工艺仿真实现，仿真结果显示，系统静态功耗为42 W，当负载从0~50 mA变化时，电压最大波动为87 mV，建立时间为2.5 s。

关键词： LDO；电容倍增；瞬态响应

0 引言

　　作为电源管理芯片中重要的一员，低压差线性稳压器（Low-Dropout regulator，LDO）因其纹波低、噪声低、体积小等优点被广泛应用到各种便携式电子产品（如手机、PDA等）中。传统的LDO利用片外大电容稳定其输出电压，但是不易于系统集成[1-3]。与传统的LDO相比，无电容式LDO不需要较大的片外电容，易于系统集成，然而其稳定性和瞬态响应成为设计的难点。为了保证无电容式LDO的稳定性，通常利用米勒效应来实现极点分类，为了达到足够的相位裕度，通常需要采用较大的米勒补偿电容，消耗较大的芯片面积。参考文献[4]提出了一种经典的电容倍增技术，但是其电容倍增系数受到电流镜电流之比的限制；参考文献[5]提出的电容倍增技术能提高电容倍增系数，有效地减小所需补偿电容的面积，但由于误差放大器输出节点的非对称性，为系统引入了失调，影响了LDO的线性调整率。

　　本文提出LDO结构，将电容倍增技术嵌入到第一级，使得第一级完全对称，且能提高环路带宽，提高了环路瞬态响应速度，电路采用0.13 m标准CMOS工艺仿真实现。

1 电容倍增技术

　　参考文献[1]提出的电容倍增技术如图1（a）所示，该技术基于电流模式实现，其原理为：采样流过电容的电流，通过电流镜实现放大后再反馈到电容的另一端，以实现电容倍增效果。其等效电容为（1+k），其中k为电流镜的放大系数。

　　参考文献[2]采用的电容倍增技术如图1（b）所示，在M1的栅极和漏极之间插入了一个电阻Re，同样能实现自偏置效果，无需额外的偏置电路。A点仍为低阻节点，但是B点不再是低阻节点，因此流过Cm的电流通过Re和M1放大成电压V1，然后通过M2再次转换成电流。其等效电容可表示为：

　　Ceq=（1+k）gm1RbCm（1）

　　从式（1）可以看出，其等效电容与参考文献[1]中提出的电容倍增技术相比，提高了gm1Re倍，因此对于固定的负载电容，所需要的片上补偿电容大大减小。

2 LDO电路设计

　　本文提出的LDO结构如图2所示，主要包括三部分。第一级全对称的运算放大器由M0~M8和电阻Re组成，其中包括由M3、Re、M5和M4、Re、M6组成的电容倍增模块，该模块嵌入第一级，与参考文献[2]相比，功耗减小了。同时第一级为完全对称结构，因此能减小失调。第二级运算放大器由功率管Mp和采样电阻组成。第三部分为频率补偿部分。Vref为带隙基准源产生的基准电压；Cm为米勒补偿电容；RL为负载电阻；CL为负载电容，为100 pF。

　　为了分析环路的稳定性，求出其传输函数为：

　　其中，gmi为Mi的跨导，R1为第一级输出电阻，Ro为第二级输出阻抗，C1为第一级输出电容，其值分别为：

　　Ro=（R1+R1）//Rp//RL（3）

　　C1=Cgs_p+ApassCgd_p（4）

　　Adc和pd为运算放大器的直流增益和主极点，分别为：

　　Adc=kgm1gmpR1Ro（5）

　　由式（7）可以看出，本文提出的LDO结构具有大的电容倍增系数，同时与参考文献[5]相比，GBW提升了k倍，因此具有更好的瞬态特性。

3 仿真实验

　　为了验证本文所提出的LDO的合理性，对图2所示的电路采用0.13 μm 标准CMOS工艺仿真验证，当工作温度为25℃、输入电压为1.2 V、输出电压为1 V、负载电容为100 pF时，由于采用了本文提出的电容倍增技术，片上补偿电容仅为0.8 pF。空载和负载为50 mA时，LDO环路频率响应曲线如图3所示。

　　仿真结果显示，在0~50 mA全负载范围内，最小增益为45.66 dB，单位增益带宽为570 kHz，相位裕度为60°，反馈环路具有很好的稳定性。同时由于将电容倍增模块嵌入到了误差运算放大器的第一级，因此提高了环路的单位增益带宽。

　　当负载从空载跳到50 mA然后再跳回空载时，系统的瞬态响应如图4所示。仿真结果显示，上冲电压为87 mV，调整时间为2.5 s；下冲电压为49 mV，调整时间为2.0 s，由于系统单位增益带宽得到了提升，因此具有良好的瞬态响应特性。

4 结论

　　本文设计了一种新型的LDO，分析了电容倍增技术的原理，且将电容倍增模块嵌入到了误差运算放大器的第一级，提升了系统的环路带宽，有良好的瞬态响应。电路通过0.13 m标准CMOS工艺仿真实现，结果显示，系统静态功耗为42 W，当负载在全负载范围变化时，电压波动最大为87 mV，建立时间为2.5 s，能够满足SoC系统中供电电源的要求。

参考文献

　　[1] 应建华，黄杨，黄萌，等.基于电容倍增技术的LDO补偿方法[J].微电子学与计算机，2009，26（11）：102-105.

　　[2] 刘明亮，明鑫，欧雪春，等.一种带过温保护和折返电流限的LDO设计[J].微电子学与计算机，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] 王晋雄，原义栋，张海峰.一种高线性调整率无电容型LDO的设计[J].电子技术应用，2012，38（11）：44-47.