一种无片外电容LDO的瞬态增强电路设计

王 常，吴 震，邓朝勇

（贵州大学 理学院 贵州省微纳电子与软件技术重点实验室，贵州 贵阳 550025）

近年来，随着信息产业的巨大发展，人们对便携式电子产品需求量日益增加。而低压差稳压器（Low-Dropout Regulator，LDO）以其低噪声、低纹波、体积小、应用简单等优点被广泛应用于电池供电系统的便携式电子设备上。随着SoC（片上系统）的发展，要求尽可能地减少外围电路，越来越多的模块被纳入芯片内部。因而对LDO而言，无片1外电容LDO就成为LDO发展的新趋势。

介于无片外LDO缺少输出大电容，使得负载的阶跃变化需要靠调整管来快速响应。但调整管的栅电容通常很大，这会导致环路的压摆率（slew rate，SR）不够，因此无片外电容LDO的瞬态特性比较差。

针对无片外电容LDO的瞬态特性，常用的解决办法是缩短调整管栅电容的充放电时间。由于调整管栅电容的充放电时间与电流成反比，与其电容成正比。因此减小栅电容的充放电时间的途径有：增大调整管栅极的驱动电流，或者减小调整管栅极的等效阻抗或等效电容。本文采用的是增加调整管栅电容的充放电流，来增强瞬态响应。

近些年，为了提高LDO瞬态响应特性，众多设计者采用增加调整管栅极驱动电流的方法[1-4]。在保证系统其它性能不受影响的前提下，为了得到快速响应，本文基于Lee提出的摆率增强电路（SRE）思想[5]，结合RC电路的瞬态特性，提出了一种无片外电容LDO的瞬态增强电路。

1 使用摆率增强（SRE）技术的瞬态增强电路设计

摆率增强技术是目前提高无片外电容LDO瞬态性能的重要技术。图1为SRE技术的系统模型[6-7]。该电路主要有两个部分组成：LDO主干电路和SRE电路。首先在LDO中找到一个能快速响应负载电流和输入电压变化的节点，将该变化信号传递给SRE电路，然后SRE电路在LDO调整管的栅极产生一个额外的充放电流，从而使栅极电位快速变化，达到输出端快速稳压的目的。

图1 采用偏置电流增强技术的LDO框图Fig.1 Diagram of LDO with the proposed dynamic bias-current boosting technique

1.1 LDO的瞬态检测电路

本设计为了降低功耗，采用工作在亚阈值区的跨导放大器作为LDO的误差放大器。图2（a）为一个简单的LDO电路图。

图 2（b）为 LDO的瞬态检测电路[8]，图中 Vp和 Vn与图 2（a）相对应，为检测节点的电压，其中虚线部分为信号检测电路，另外两条支路分别为一级放大器。

在检测电路中，我们通过调节PMOS和NMOS晶体管的宽长比，来使得和在稳定状态下，通常分别被偏置在接近电源电压和接地电压。Vu和Vd为检测电路的输出端，同时也是偏置电路的输入端口。

为了给偏置增强电路提供快速和摆幅较大的触发信号。在检测电路的输出端加入了一个轨到轨的放大器，在这里采用反相器来实现，如图2（b）所示。它可以有效地将缓慢变化的检测信号转化为快速的轨到轨信号。当Vfb正向突变时，Vg增加，同时Vn增加，而在Mn上形成一个较大的栅源电压Vgs，从而为PMOS调整管提高一个大的充电电流。而且Vh和Vl均增加。Vh更加靠近电源电压，而Vl开始从一个小电压开始增加，使其达到了反相器CMOS的阈值电压，因而在Vd产生了从电源电压到地电压的摆幅范围。同样，当Vfb负相变化时，会使Vp增加，从而导致Vh和Vl均下降，而且反相器会使Vh变化范围转化为从电源电压到地电压的变化范围，实现轨到轨的目的。仿真结果如图3所示。

图2 带瞬态检测电路的LDO Fig.2 Diagram of LDO with the transient slewing-detection circuit

图3 电路内部信号随Vfb变化曲线Fig.3 Internal signals of the cricuit during the slewing of Vfb

1.2 偏置电流增强电路

检测电路将检测信号传递给偏置电路，偏置电流增强电路产生一个瞬间的大偏置电流，进而给调整管的栅电容充电。

本电路主要是利用RC电路在输入电压发生变化时，电容不能瞬间突变的原理，为输出端提供一个瞬时尖峰脉冲。

利用RC电路产生的脉冲使MOS管导通，电路图如图4所示。在信号发生突变时，为了使偏置电流Ib能随之变化，本电路采用了上一节的轨到轨的思想，使得Vgn和Vgp是在VDD到地之间的满摆幅。为了避免MOS进入截止区，本设计采用Mbn和Mbp2个MOS管并联，如下图所示，保证了信号的变化过程中，至少有一个的MOS管导通。从而使得Mx的漏源电流瞬间增大，Vn增加，进而Ib随之增大。

图4 偏置电流增强电路Fig.4 Bias-current boosting circuit

上图中，Vu和Vd作为偏置电路的输入端口，且是检测电路的2个输出端。Mb是以二极管形式连接的MOS管，在这里起提供一个大电阻Rb的作用，Mbn和Mbp与Mb并联，Mx和Mn为一个电流镜。

稳态下，Vu和Vd均保持不变，此时电容并不导通，所以Vgn和Vgp分别置地和电源电压。2个MOS管均截止，偏置电路由于Mb产生的大电阻Rb，使得偏置电流保持很小，Ib约为40 nA。当脉冲出现后，会在Vgn和Vgp处产生一个瞬时尖峰电压，达到MOS管的阈值电压，使其导通，而导通的Mbn和Mbp的电阻比并联的Mb的电阻小得多，此时偏置电路的电阻急剧减小，因而在Mx处产生一个瞬时大漏电流，从而在Mn处镜像出一个大的瞬时偏置电流Ib。

由于RC电路瞬态特性，Vgn和Vgp是以正负脉冲的形式传递过来的，所以偏置电路只是产生一个瞬时的大电流Ib，然后镜像给LDO，给调整管的栅电容进行充放电，使得栅电压快速响应。当栅电容充放电完成后，Vgn和Vgp又迅速恢复到原来的稳态，分别偏置到接地电压和VDD，2个MOS管又重新截止，偏置电流又恢复到原来的低电流状态[9]。如图5所示。

该电路设计在稳定的状态下，静态电流保持在较低的水平；突变状态下，在提高了系统响应速度的同时，静态电流只是瞬间增大，随后立即减小为初始值，因而对系统的功耗并没有产生很大影响。

图5 偏置电路内部信号随 Vu和Vd变化曲线Fig.5 Internal signals of the cricuit during the slewing of Vuand Vd

2 采用瞬态增强电路的无片外电容LDO的电路实现

本电路设计主要包括检测电路、偏置电流增强电路、以及LDO主电路。其电路图如图6所示。

图6 带有检测电路和偏置增强电路的LDO的实现电路Fig.6 Circuit implementation of the LDO with the slewing-detection circuit and the dynamic bias-current boosting circuit

当负载电流正向变化时，Vfb减小，在上面的电路图中体现为Vp增大，由于电流镜作用，使得本身为低电位Vl的继续降低，通过反相器后，Vd保持为高电位不变；而Vh由高电位开始减小，在反相器的作用下，Vu由低电位开始增加。因而Vgn产生了一个瞬间的正向电压脉冲，使得Mbn瞬间导通，从而偏置电流极大增加。使得流过Mx的漏电流增大，Mx的栅电压增大，则Vn增大，同时流过Mn的漏电流Ib增大。当负载电流负向变化时，同理使得Mbp导通，为LDO电路提供瞬间大电流。本设计的偏置电流在激励信号的作用下为17.5 μA，在稳态时为40 nA。

3 电路的仿真结果

电路基于SMIC的0.18 μm工艺进行仿真。由于稳态下偏置电流设计的比较低，Ib=40 nA，所以整个系统的静态电流只有 3.2 μA。

如图7所示，图中虚线表示的偏置电流为40 nA的频率响应，实线为偏置电流为17.5 μA的频率响应。当系统处在稳定状态时，偏置电流为40 nA，其相位裕度为90.19°。当遇到激励信号时，瞬时偏置电流为17.5 μA，其相位裕度为91.35°。所以系统在瞬态响应时，没有降低系统的稳定性。

为了得到瞬态响应的结果，我们通过对本设计电路与没有采用偏置增强电路的LDO进行负载瞬态响应与线性瞬态响应的仿真。两组LDO的仿真条件一样。

对负载响应进行仿真时，电源电压为1.8 V，输出电压为1.3 V。负载电流在10 ns内从50 mA增加到100 mA，经过400 μs后，又变回到 50 mA，如图 8（a）所示。可以看出在负载电流发生跳变的两个时刻，偏置电流Ib都发生了明显的瞬时增大。响应时间分别为8 μs和4 μs远小于传统没加偏置增强电路的LDO的响应时间28 μs和30 μs，很大程度上提高了系统的负载响应性能。对线性响应进行仿真，在保证输出电压为1.3 V，负载电流为100 mA的前提下，电源电压在10 ns的时间内从1.8 V增加到2.3 V，经过400 μs后，又变回到1.8 V，如图8（b）所示。同样可以看到在电源电压发生跳变的过程中，偏置电流出现了瞬间增大。结果显示本设计的线性响应时间分别从 47 μs和 40 μs提高到 15 μs和 7 μs， 比传统LDO瞬态响应性能提高了很多。

图7 LDO环路增益的幅频和相频曲线（Ib=40 nA，Ib=17.5 μA）Fig.7 Magnitude and phase response of LDO loop gain （Ib=40 nA， Ib=17.5 μA）

图8 常规LDO和本设计LDO瞬态响应特性模拟曲线Fig.8 Simulated transient response of the conventional and proposed LDOs

4 结 论

文中针对一款低功耗的无片外电容的LDO，利用偏置电流增强技术，设计出了一个瞬态响应增强电路。基于SMIC的0.18 μm CMOS工艺，使用Spectre仿真工具，对电路仿真验证表明，负载瞬态响应时间由原来的28 μs提高到8 μs，线性瞬态响应时间从47 μs减小到15 μs。在不影响整个系统功耗的前提下，有效地提高了LDO的瞬态响应性能。而且整个电路的相位裕度保持在90.19°以上，保证了电路响应过程中系统的稳定性。

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