一种低电压无片外电容LDO的设计

西安电子科技大学 王文强 李 晴 翟世奇 高 鹏

本文采用0.18 µmCMOS工艺，设计了一种向数字、模拟、射频等模块供电的低电压LDO。由交叉耦合电荷泵向带隙基准、误差放大器供应可靠升压电压，交叉耦合电荷泵、功率管工作在低电压下。选择Cascode米勒补偿实现环路频率补偿，使之轻/重载条件下都拥有可靠性。通过Cadence Spectre进行性能仿真，LDO最低输入电压是0.8 V，输出电压是0.5 V，负载处于100µA～150mA区间内，具备环路稳定性与负载调整率，相位裕度维持60°以上；另外电路电源噪声抑制比，低频段可达86.3 dB，1 MHz则是62.0 dB，LDO各项性能参数均达到设计目标。

随着CMOS工艺快速发展与片上系统芯片（SoC）推广普及，电源电压呈现下降趋势，传统电源管理方案逐渐暴露一些问题，不能继续适应SoC低电压要求。低电压使SoC内部对电源噪声与纹波敏感的电路模块往往必须集成一种片内低压差线性稳压器（Lowdropout regulator, LDO），向它供应干净电源电压。传统LDO在输入电压方面始终存在相应限制，输出超低电压将使电路总体能量转换效率明显下降，本文合理改进LDO设计，提高LDO实用性。

1 低电压LDO设计

文章电路整体结构如图1所示，电荷泵、功率管工作在电源电压下，由交叉耦合电荷泵为带隙基准、误差放大器供应可靠升压电压，实现了一种低电压下LDO设计。

图1 整体电路结构

1.1 电荷泵电路

在进行升压时，相比于Dickson电荷泵只在二分之一周期时间内对输出电容进行充电，而导致了电荷泵输出端的纹波电压过大，交叉耦合电荷泵在这方面有着绝对的优势；在两个非交叠的时钟周期中，交叉耦合电荷泵通过一对工作状态相反的结构来进行控制，可以看成两个相对独立的电荷泵交替的进行电荷的转移工作，图2所示的电荷泵全周期都在工作状态，即泵电容在整个时钟周期内都会对输出电容进行充电，使得电荷泵的效率较高，输出的纹波电压几乎可以忽略不计。

1.2 基准电路

LDO需要的参考电压是一个与工艺、温度和电压无关的参考电压源。带隙基准电压具有低温度系数、高电源电压抑制等特性，是LDO中应用最多的电压基准之一。

如图3所示的带隙基准电路包括启动电路、基准电路和偏置电路。在电荷泵的供电下，该基电路可以在-40℃～125℃下提供0.25 mV的参考电压，且温漂系数为11.8 ppm/℃。

图3 带隙基准电路

1.3 LDO电路

本文采用的无片外电容LDO如图4所示，采用全差分折叠式共源共栅运放作为误差放大器输入级，借此产生大的增益和输出摆幅，差分输入单端输出的缓冲级电路以对称的方式驱动缓冲管，同时缓冲级可面向功率管栅极电容实现高效充/放电，相比于普通的源极跟随器，存在较高电流转换效率，可增强电路瞬态响应性能。

图4 LDO主体结构

2 性能仿真

本文采用Cadence的Spectre软件以及TSMC的0.18 µm工艺库进行系统仿真。在0.8～1.2 V的工作电压下，得到如图5的输出仿真曲线，输出电压稳定在502.76 mV时，最小压差为300 mV。

LDO主要通过负反馈环路组成，为了确保电路在负载范围内，整个LDO系统都能稳定工作，必须验证电路在各种环境下的稳定性。其稳定性仿真结果如图6所示。

图6 LDO稳定性仿真曲线

从结果能看出在负载范围内，环路的低频增益均能保持在50dB以上，相位裕度也都大于60°，电路具有很好的稳定性。

结语：本文设计了一款低电压的无片外电容LDO。仿真结果表明，工作温度范围为-40℃～125℃下，该电路能够在0.8～1.8 V的输入电压下提供0.5V输出电压，且全负载范围内保持稳定，负载电流在100µA～150mA范围内，环路相位裕度大于60°。另外LDO负载瞬态响应最大过冲、下冲电压只有86.6mV、30.81mV，恢复时间不超过1.5µs，电源抑制比在重载情况下也能达到60dB，测得的数据结果满足设计目标。