采用AB類源跟隨器的無片外電容快速瞬態(tài)響應(yīng)LDO

姚方舟, 張 章

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO)被廣泛應(yīng)用于無線能量傳輸和電池供電系統(tǒng)中。大電流、高穩(wěn)定性、快速瞬態(tài)響應(yīng)是當(dāng)前LDO的部分發(fā)展趨勢(shì)。LDO負(fù)載電流的突變會(huì)導(dǎo)致LDO的輸出電壓紋波,隨著工藝的進(jìn)步和工作頻率的提高,特別當(dāng)負(fù)載電流變化范圍很大時(shí),這一影響愈加嚴(yán)重,因此對(duì)于LDO快速瞬態(tài)響應(yīng)的優(yōu)化顯得尤為重要。傳統(tǒng)LDO輸出一般需外接片外電容,使得芯片需要留出專用管腳,因?yàn)槔速M(fèi)芯片面積、不利于集成,還存在額外的寄生影響,所以采用內(nèi)部補(bǔ)償方式的無片外電容LDO也備受關(guān)注[1]。

無片外電容會(huì)影響LDO的系統(tǒng)瞬態(tài)特性以及環(huán)路穩(wěn)定性。目前,國內(nèi)外研究者提出了諸多提升LDO瞬態(tài)響應(yīng)的方案。文獻(xiàn)[2]采用一個(gè)恒定的偏置電流來提高轉(zhuǎn)換率,且這個(gè)偏置電流不依賴于輸出電流,但靜態(tài)電流過大導(dǎo)致功耗較大,同時(shí)也需要一個(gè)較大的片上電容來抑制輸出電壓紋波;文獻(xiàn)[3]提出的基于緩沖翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器(flipped voltage followed,FVF)的LDO,利用該結(jié)構(gòu)的低阻抗特性實(shí)現(xiàn)大寬帶,以增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)特性,基于FVF結(jié)構(gòu)的LDO的瞬態(tài)響應(yīng)性能明顯優(yōu)于基于經(jīng)典運(yùn)放的LDO,但負(fù)載調(diào)整率較差,且輸入電壓范圍較小,不適用于寬電壓范圍應(yīng)用;文獻(xiàn)[4]提出的動(dòng)態(tài)極點(diǎn)方案,通過動(dòng)態(tài)調(diào)整功率管柵極處的極點(diǎn)和功率管柵極寄生電容的充放電電流,提高LDO的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性,但是設(shè)計(jì)中使用的NPN管限制了該方案的應(yīng)用范圍。另外,LDO作為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)需要高的環(huán)路增益以確保輸出電壓的精度,在實(shí)現(xiàn)高增益和大帶寬的同時(shí)提高了頻率補(bǔ)償?shù)碾y度。

本文設(shè)計(jì)了一種可用于無線能量傳輸?shù)木哂锌焖偎矐B(tài)響應(yīng)的無片外電容LDO。利用電容耦合對(duì)輸出電壓過沖進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生跳變時(shí),通過增大功率器件柵電容的充放電電流,增強(qiáng)了瞬態(tài)響應(yīng)特性,而輸出穩(wěn)定后不再增加靜態(tài)電流。所提出的LDO采用密勒補(bǔ)償和AB類CMOS源跟隨器緩沖級(jí)進(jìn)行頻率補(bǔ)償,并引入負(fù)反饋,增加了環(huán)路相位裕度。以相對(duì)較低的功耗實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng),具有寬輸入電壓范圍,在改善電路瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)提高了環(huán)路的穩(wěn)定性。

1 LDO傳統(tǒng)電路分析

傳統(tǒng)LDO的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,包含誤差放大器、功率器件和反饋網(wǎng)絡(luò)。圖1中:Co為負(fù)載電容;RL為負(fù)載電阻;RF1、RF2為反饋取樣電阻。

圖1 傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)

未補(bǔ)償?shù)臒o片外電容LDO在環(huán)路中有2個(gè)低頻極點(diǎn),其中主極點(diǎn)p1位于功率管柵端,次極點(diǎn)p2位于輸出端。LDO功率管的尺寸較大,其寄生電容不可忽略。因?yàn)榧纳娙莸拿芾招?yīng),功率管柵端的等效電容一般為pF級(jí)別,與誤差放大器輸出端的等效電阻構(gòu)成主極點(diǎn)p1,當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生從μA到mA數(shù)量級(jí)的跳變時(shí),功率管仍有20 dB左右的增益,所以極點(diǎn)p1處于較低頻率,為主極點(diǎn)。輸出端的等效阻抗與負(fù)載電流成正比,負(fù)載電流的增大,會(huì)使得極點(diǎn)p2的頻率提高。相應(yīng)的負(fù)載電流對(duì)主極點(diǎn)p1影響較小,p1的頻率相對(duì)固定。因此對(duì)無片外電容LDO而言,重載情況下,即負(fù)載電流越大時(shí),穩(wěn)定性越好。而輕載情況下,即負(fù)載電流較小時(shí),LDO輸出阻抗將增加,p2的頻率會(huì)降低,從而與主極點(diǎn)p1接近,并因此導(dǎo)致環(huán)路的穩(wěn)定性明顯變差。綜上所述,無片外電容LDO在輕載時(shí)穩(wěn)定性最差,在重載時(shí)穩(wěn)定性最好,其傳遞函數(shù)可表示為:

(1)

其中:Vfb為反饋電壓;Vref為基準(zhǔn)電壓;Av為環(huán)路增益;p1、p2為LDO的2個(gè)極點(diǎn)。

LDO常用的補(bǔ)償方法有ESR補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)極點(diǎn)補(bǔ)償、緩沖級(jí)補(bǔ)償和密勒補(bǔ)償。其中:ESR補(bǔ)償方法適用于有輸出電容的LDO設(shè)計(jì)[5];動(dòng)態(tài)極點(diǎn)補(bǔ)償方案通過移動(dòng)次極點(diǎn)增加環(huán)路的相位裕度,提高穩(wěn)定性;緩沖級(jí)補(bǔ)償通過增加緩沖級(jí)的方式,利用緩沖器輸出阻抗低的特點(diǎn),將本來很小且位于LDO環(huán)路帶寬內(nèi)的次主極點(diǎn)推向高頻,實(shí)現(xiàn)單極點(diǎn)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定;密勒補(bǔ)償用法也很普遍,密勒補(bǔ)償將原本靠得很近的極點(diǎn)分裂開來,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。

2 LDO電路具體分析與設(shè)計(jì)

2.1 瞬態(tài)響應(yīng)分析

當(dāng)LDO的負(fù)載電流在短時(shí)間內(nèi)在輕載與重載之間跳變時(shí),功率管柵極電壓無法立即響應(yīng),會(huì)導(dǎo)致輸出電壓降低。當(dāng)柵極電壓響應(yīng)降低并足以提供負(fù)載電流后,輸出電壓會(huì)重新升高并恢復(fù)至正常值。同理,當(dāng)LDO發(fā)生從重載到輕載的跳變時(shí),功率管柵極電壓同樣無法立即響應(yīng),輸出電壓會(huì)先升高再降低。典型的LDO在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)過程中,其輸出電壓變化如圖2所示[6]。

圖2 典型的LDO瞬態(tài)響應(yīng)示意圖

LDO的瞬態(tài)響應(yīng)性能通常包括響應(yīng)時(shí)間(Δt1+Δt2、Δt3+Δt4)和過沖電壓(ΔV1、ΔV3)2個(gè)方面,其表達(dá)式分別為[7]:

(2)

(3)

Δt2≈(ΔV1-ΔV2)(CL+Cb)/Imax

(4)

Δt3≈1/Bc1

(5)

(6)

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是無片外電容結(jié)構(gòu),所以ΔVesr取0,CL是輸出端的寄生電容。由此可知,可以通過增加環(huán)路帶寬Bc1和功率管柵極的驅(qū)動(dòng)電流Isr,以減小Δt1和Δt3。而Δt2的大小由充滿負(fù)載電容所需時(shí)間以及開環(huán)頻率響應(yīng)的相位裕度決定,Δt4的大小則由反饋電阻上的電流Ipull-down決定。上沖電壓和下沖電壓的大小主要由Δt1、Δt3和Isr決定。

2.2 瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)電路

瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)的方式較多,其中通過電容耦合方式增大電流鏡偏置電流的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電路結(jié)構(gòu)中,M1管和M2管是一個(gè)基本的等比例電流鏡,I1為輸入電流,I2為輸出電流,電阻R1與電容C1起到高通濾波的作用。當(dāng)Vpulse固定不變時(shí),電容C1不導(dǎo)通,電流I1和I2相等。當(dāng)Vpulse為脈沖信號(hào)時(shí),脈沖信號(hào)通過電容C1耦合到M2管柵端,感應(yīng)脈沖信號(hào)跳變,電壓隨之跳變,相當(dāng)于在不影響輸入電流I1的前提下,為I2在直流偏置的基礎(chǔ)上疊加了額外的電流。

圖3 通過電容耦合增大電流鏡電流的電路結(jié)構(gòu)

本文中所采用的快速瞬態(tài)響應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 具體快速瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路

在輸出負(fù)載不發(fā)生跳變時(shí),VOUT處于穩(wěn)定狀態(tài),由于電容C1、C2的隔離作用,V1、V2由偏置電壓Vbias決定,輸出電流I1和I2保持不變。當(dāng)VOUT從穩(wěn)定狀態(tài)跳變至高電壓時(shí),因?yàn)殡娙軨1和C2的高通特性及大電阻R1和R2的隔離作用,上過沖電壓變化會(huì)耦合到V1和V2,所以促使M3管的柵源電壓增大,M4管關(guān)斷,I1瞬間增大,I2降低至0,經(jīng)過電流鏡鏡像后,瞬間加大功率器件的柵電容放電電流。同樣地,當(dāng)VOUT從穩(wěn)定狀態(tài)跳變至低電壓時(shí),下過沖電壓變化會(huì)耦合到V1和V2,促使M4管的柵源電壓增大,M3管關(guān)斷,I2瞬間增大,I1降低至0,經(jīng)過電流鏡鏡像后,瞬時(shí)加大功率器件的柵電容充電電流。

2.3 緩沖級(jí)電路

電壓緩沖器是模擬和混合信號(hào)電路以及處理系統(tǒng)中必不可少的構(gòu)件,特別是對(duì)于小信號(hào)需要傳遞至大容性負(fù)載而又不會(huì)失真的應(yīng)用而言[7]。緩沖器的輸入電容必須盡可能小,以確保小信號(hào)盡可能不會(huì)受到影響,且輸出級(jí)具有高壓擺率性能,以便可以保持驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有大的電容負(fù)載。

常見的用于緩沖器的源跟隨器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 常見的源跟隨器電路結(jié)構(gòu)

圖5a所示為一個(gè)常規(guī)的PMOS源極跟隨器,被廣泛用作電平移位電壓緩沖器。但缺點(diǎn)是對(duì)電阻負(fù)載敏感。為了克服這個(gè)問題,存在一個(gè)緩沖區(qū),通常稱為超級(jí)源跟隨器[8],如圖5b所示。圖5b的拓?fù)渑c圖5a相同,但是由于流經(jīng)M1的漏極電流被恒定電流IB偏置,并且與輸出電流無關(guān),因此VSGM1相對(duì)于輸出電流也保持恒定。

文獻(xiàn)[9]指出,雖然超級(jí)源跟隨器輸出相對(duì)負(fù)載變得不敏感,但是擺率仍處于A類范疇中。對(duì)于超級(jí)源跟隨器,正向擺率受限于偏執(zhí)電流與負(fù)載電容的比值IB/CL。因此文獻(xiàn)[9]提出AB類超級(jí)源跟隨器,電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 AB類超級(jí)源跟隨器電路結(jié)構(gòu)

AB類超級(jí)源跟隨器是由M1～M4、Rlarge、C1組成[9],其中Rlarge由二極管接法的MOS管替代。對(duì)于AB類超級(jí)源跟隨器,在靜態(tài)時(shí),M4和M5為電流鏡,流過M4的靜態(tài)電流與M5的靜態(tài)電流對(duì)應(yīng)成比例,相較于傳統(tǒng)跟隨器,靜態(tài)電流只多了一路M3的電流。因此采用此跟隨器后,LDO具有較強(qiáng)的大信號(hào)響應(yīng)能力,能夠顯著縮短大信號(hào)建立時(shí)間Δt1和Δt3。

M1為共源放大器A1,Rlarge和電容C1組成高通濾波器,Rlarge為阻值足夠大的電阻,導(dǎo)通頻率很低,而電容C1相較于M3的柵電容大很多,小信號(hào)能傳遞到M3。因此,M3、M4可以看作AB類放大器A2;A1和A2則級(jí)聯(lián)成兩級(jí)放大器,此放大器通過級(jí)聯(lián),將輸入等效為VIN與輸出VOUT之差,即采用單位負(fù)反饋。因此,AB類超級(jí)源跟隨器可以看作單位增益緩沖器,由于此反饋屬于串聯(lián)-并聯(lián)反饋,其輸出阻抗為:

Rx=Rx/(1+GmRx)+tsr≈1/Gm=

1/gma1(gma3+gma4)ro

(7)

其中:Gm為兩級(jí)放大器的等效跨導(dǎo);Rx為跟隨器開環(huán)輸出阻抗;gma1、gma3、gma4分別為M1、M3、M4的等效跨導(dǎo);ro為ro1//ro2的值,ro1、ro2分別為M1、M2的漏源電阻。

從(7)式可以看出,相較于傳統(tǒng)跟隨器的輸出阻抗1/gma1,等效阻抗降低了(gma3+gma4)ro倍。因此,可以將次極點(diǎn)p2推到更高的頻率,從而增加系統(tǒng)帶寬。

2.4 LDO整體電路實(shí)現(xiàn)

為了提高LDO的瞬態(tài)響應(yīng)性能,本設(shè)計(jì)采用瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)電路。該LDO包括一個(gè)誤差放大器、帶隙基準(zhǔn)模塊、功率管MP和驅(qū)動(dòng)功率管MP瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)電路,具體電路如圖8所示。增強(qiáng)電路從環(huán)路的閉環(huán)帶寬和功率管的柵極驅(qū)動(dòng)電流2個(gè)方面入手,大大提高了瞬態(tài)響應(yīng)性能。同時(shí),該LDO結(jié)構(gòu)具有較大的功率管柵極寄生電容的充放電電流和低阻抗特性,從而實(shí)現(xiàn)了大帶寬特性,也顯著提高了瞬態(tài)響應(yīng)性能。

誤差放大器由MA1～MA11管組成,是一個(gè)PMOS輸入的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器,可以節(jié)省靜態(tài)功耗,同時(shí)有效減小功率管的尺寸。

中間級(jí)為快速響應(yīng)檢測(cè)電路,由MC1～MC8管組成,采用電容耦合的方式檢測(cè)負(fù)載電流跳變,并最終通過電流鏡鏡像后,瞬間增大功率器件的柵電容充放電電流。

緩沖級(jí)為采用AB類超級(jí)源跟隨器的緩沖器,由MB1～MB3管組成,同時(shí)引入負(fù)反饋技術(shù),顯著減小了緩沖器的輸出阻抗,并且增強(qiáng)了功率管柵極的擺率。MP為功率管,是一個(gè)采用最小柵長的PMOS管,以減小芯片面積。

由圖8可知,誤差放大器為普通折疊式共源共柵運(yùn)算放大器,緩沖級(jí)作為第2級(jí),功率管MP為共源放大器接法,是LDO的第3級(jí)放大器。因此,本文設(shè)計(jì)的LDO可看作三級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu),必然存在穩(wěn)定性問題。這里采用密勒補(bǔ)償和緩沖級(jí)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償,使其穩(wěn)定。其中:gm1、gm2、gmP分別為LDO第1級(jí)、第2級(jí)和功率管MP的跨導(dǎo);β為反饋系數(shù)RF2/(RF1+RF2);C1、C2、ro1′、ro2′分別為LDO第1級(jí)和第2級(jí)的輸出電容

和輸出電阻;Coeq、Roeq分別為LDO輸出端的等效電容和等效電阻;CC、RC分別為密勒補(bǔ)償電容和調(diào)零電阻[10]。

圖7 提出的LDO整體電路

3 仿真結(jié)果與分析

完整版圖如圖8所示,包含LDO基準(zhǔn)模塊。

本文設(shè)計(jì)的采用AB類源跟隨器的無片外電容快速瞬態(tài)響應(yīng)LDO,采用CSMC 0.35 μm工藝的3.3 V器件庫,利用Cadence工具完成整體電路的設(shè)計(jì)與仿真。支持2.1～4.8 V電源電壓范圍。輸出電壓值為1.2 V,負(fù)載電流范圍為2～300 mA。

圖8 LDO的整體版圖

負(fù)載電流在2～300 mA之間跳變,跳變時(shí)間為1 μs,瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出,LDO上過沖電壓和下過沖電壓最高值分別為111、188 mV,輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分別為3.2、2.1 μs,2 mA和300 mA負(fù)載電流穩(wěn)定后的輸出電壓之差僅為200 μV,表明該LDO系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能良好。

圖9 電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形

LDO環(huán)路在負(fù)載電流下的相頻特性曲線Y0及幅頻特性曲線Y1如圖11所示。

從圖11可以看出,在2～300 mA負(fù)載電流范圍內(nèi),環(huán)路在負(fù)載變化過程中最低相位裕度為85°,緩沖級(jí)負(fù)反饋起到了降低輸出阻抗的作用,LDO系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖10 環(huán)路小信號(hào)頻率特性的仿真曲線

幾款LDO的性能比較結(jié)果見表1所列。

本文設(shè)計(jì)的采用AB類源跟隨器的無片外電容快速瞬態(tài)響應(yīng)LDO,在瞬態(tài)響應(yīng)、最大負(fù)載等方面具有一定的優(yōu)勢(shì),綜合性能良好。

表1 本文與其他文獻(xiàn)的LDO參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文采用CSMC 0.35 μm工藝,設(shè)計(jì)了一種采用AB類源跟隨器的無片外電容快速瞬態(tài)響應(yīng)LDO,在現(xiàn)有瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)方案的基礎(chǔ)上,加以優(yōu)化改進(jìn),給出了本文的設(shè)計(jì)方案。該LDO中所采用的電容耦合方式瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)電路,能檢測(cè)負(fù)載的跳變,同時(shí)增大功率器件的充放電電流,實(shí)現(xiàn)輸出擺率增強(qiáng),以提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。添加了AB類源跟隨器作為緩沖級(jí)電路,并利用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)技術(shù),使緩沖器的輸出阻抗顯著降低,以提高環(huán)路的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明,該LDO基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)負(fù)載電流在2～300 mA范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電壓的最大過沖值為188 mV。在低頻帶范圍具有良好的PSRR,能夠有效抑制電源紋波,且相位裕度在85°以上,環(huán)路穩(wěn)定性良好。