快速响应无片外电容低压差线性稳压器研究

滕敏亮 滕军 潜卫强 雷建峰 林建豪

摘要：本文对低压差线性稳定器相关概念加以说明，通过外加快速通路的方式开展研究，依托于无片外电容低压差线性稳定器所具有的快响应技术，实现CL-LDO的快速瞬态响应，以期减小负载跳变对LDO的影响。

关键词：无片外电容;低压差线性稳定器;快速响应

前言：当前常使用零点补偿法、阻抗衰减缓冲器驱动技术等来实现瞬态响应的改良，前者尽管可以增强系统的穩定性，但却极易受到面积与工艺的影响，后者虽可实现快速瞬态响应，但无法对系统稳定性提供保障。对此，需重视CI-LDO瞬态响应增强技术的运用，优化工艺，以此得到具备自适应调整、瞬态响应速度快等优点的快速响应CL-LDO。

一、低压差线性稳定器概念

CL-LDO可以为电路系统供给稳定的电流与电压，在电源管理系统中具有重要的作用，其体现出小型化、低噪音的特性，现如今已被广泛应用于片上系统中。5G时代的到来，使通信系统得到相应的优化，与此同时，极大程度地提高了片上系统的时钟频率，而LDO是电源管理系统中的关键模块，其主要工作是确保超高速嵌入式电路运作稳定，但该种电路的负载电流变化幅度大、频率快，对LDO的运作提出更高的要求，需保证其可以以最快的速度响应由负载电流所引起的瞬态变化。通常情况下，为了使系统稳定运行，并实现对输出信号瞬态响应加以优化，会将具有较大容值的片外电容安装在LDO的输出端，但这一方式无法实现LDO片上系统的集成。CL-LDO对于片外电容值的要求不高，且还体现出易集成的特点，但需在某内部节点处安装主极点，其目的是当输出负载发生变化时，确保输出电压也随之变化，以实现电路系统的稳定运行[1]。

二、无片外电容低压差线性稳定器电路研究

（一）电路结构与原理

CL-LDO的构成主要有误差放大器、BGP、功率晶体管MP等，检测控制电路与辅助晶体管（M1、M2）共同组成瞬态调整电路。当发生过冲现象时，M1内部电流会从电源处流出，并流向输出端，若发生下冲现象，M2导通电流由输出端流出，流向地面。在此期间，若负载电流出现明显变化，可以控制或切断M1、M2的导通电流，以此调整输出电压的快速瞬态。如果负载电流瞬时减小，便会引发输出及反馈电压之间发生过冲现象，当过冲电压与检测控制电路相互接触，则各电极处的输出电压均为1，这时需断开M1、闭合M2，促使输出端可以利用已通电的M2实现快速放电。若负载电流瞬间增大，输出及反馈电压会在彼此作用下出现下冲现象，当下冲电压同检测控制电路进行接触，此时所测得各电极电压为0，在此基础上，断开M2，闭合M1，实现输出端快速充电的目的[2]。

运用上述电路结构以及线路连接方式时，如果负载电流在短时间内出现明显变化，CL-LDO则可以借助辅助晶体管将额外充放电电流提供给输出节点，确保电路的输出电压能够以最快的速度恢复到正常值，同时还能起到减小过冲、下冲现象的作用。电路运行过程中，如果输出电压与反馈电压不会受到负载电流变化的影响或影响较小，则与M1相连的电极输出电压为1，与M2相连的电极输出电压为0，同时断开M1、M2，将不会改变电流与电路功耗。

（二）快速瞬态调节电路

快速瞬态调节电路中含有检测与控制电路、M1、M2，输给控制电路的信号为反馈电压，并将输出电压的变化情况加以直观反应，在此过程中，若负载电流始终保持稳定状态，则测得反馈电压的最终值为0.8V。检测与

控制电路的组成可以划分为两部分，其中一部分主要对过冲电压进行检测，而另一部分的检测对象为下冲电压，但任一部分均由两级反相器级联构成。第一级反相器依托于偏置电压供电运行，而第二级反相器由输入电压进行供电。要想保证第一级反相器的开关阈值电压始终保持稳定，且能够正常运作，为过冲及下冲电压检测工作的准确性提供保障，就需控制偏置电压小于输入电压;为使第二级反相器能够对两个辅助晶体管进行实时调控，就需保证其具有足够强的驱动能力。上冲与下冲检测电路的整体结构相一致，对所存在的非理想因素如工艺波动加以充分考虑，为规避M1、M2同时导通的现象发生，便会对两个检测电路的开关阈值电压进行适当调整，确保阈值电压不相同，当负载趋近于稳定时，实现辅助晶体管的同时断开，还能规避检测与控制电路翻转问题的发生，以此从根本上降低动态功率损耗。

当输出信号出现下冲或过冲现象时，反馈电压也会出现此类现象，但通过使用两路级联反相器，对电路进行全方位检测，并作出适当调整，可以赋予过冲、下冲电压足够的驱动能力，实现对电路两级的共同控制，同时还能够实时控制辅助晶体管的断开与导通。

（三）电路研究结果探讨

本文说明的CL-LDO借助0.18μmCMOS工艺来实现，为了使其与传统CL-LDO之间存在的差异性以及优势被直观显现，便对其和传统CL-LDO进行流片加工与测试。主要测试对比内容有带隙基准、以及本文提到的快速相应及传统CL-LDO，测的结果如下：有源面积为，带隙基准电路的面积为，而采用0.18μmCMOS工艺的无片外电容低压差线性稳压器的面积为0.00529mm2。

通过对上述数据进行分析并计算可得出改良后的CL-LDO输出电压为1.194V。当负载电流出现瞬态变化时，不仅可以进一步提高响应速度，还能缓解输出电压的下冲或过冲现象。此外，当电源电压为1.8V时，若负载电压按照1μs的上升及下降时间进行变化，且变化区间设定为100μA～10mA，研究表明，过冲恢复时间为489.537ns，下冲恢复时间为960.918ns。但如果使用传统的CL-LDO开展实验，则所得到的过冲及下冲恢复时间分别为3.624μs、1.122μs。通过对所得数据分析可以看出，改良后的CL-LDO的输出电压过冲下降约有35.3%，下冲电压减小739.399mV。

结束语：借助检测控制电路，将其与辅助晶体管加以结合，共同构建出快速信号反馈通路，通过调整瞬态电压，促使瞬态响应速度得以提高，同时还能起到减小负载变化对电压值影响的作用。改变负载电流开展CL-LDO实验研究，使其所具有的实用性加以体现，充分发挥其在负载电流变化频率较高电路中的价值。

参考文献：

[1]赵颖华，杨金孝，李萍.一种高性能的无片外电容LDO的设计[J].电子世界，2019，No.575（17）：152-153.

[2]冯小龙.一种快速响应、低噪声低压差线性稳压器的设计与研究[D].电子科技大学，2019.