王 常，吳 震，鄧朝勇

（貴州大學(xué) 理學(xué)院 貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

近年來(lái)，隨著信息產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展，人們對(duì)便攜式電子產(chǎn)品需求量日益增加。而低壓差穩(wěn)壓器（Low-Dropout Regulator，LDO）以其低噪聲、低紋波、體積小、應(yīng)用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電池供電系統(tǒng)的便攜式電子設(shè)備上。隨著SoC（片上系統(tǒng)）的發(fā)展，要求盡可能地減少外圍電路，越來(lái)越多的模塊被納入芯片內(nèi)部。因而對(duì)LDO而言，無(wú)片1外電容LDO就成為L(zhǎng)DO發(fā)展的新趨勢(shì)。

介于無(wú)片外LDO缺少輸出大電容，使得負(fù)載的階躍變化需要靠調(diào)整管來(lái)快速響應(yīng)。但調(diào)整管的柵電容通常很大，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)路的壓擺率（slew rate，SR）不夠，因此無(wú)片外電容LDO的瞬態(tài)特性比較差。

針對(duì)無(wú)片外電容LDO的瞬態(tài)特性，常用的解決辦法是縮短調(diào)整管柵電容的充放電時(shí)間。由于調(diào)整管柵電容的充放電時(shí)間與電流成反比，與其電容成正比。因此減小柵電容的充放電時(shí)間的途徑有：增大調(diào)整管柵極的驅(qū)動(dòng)電流，或者減小調(diào)整管柵極的等效阻抗或等效電容。本文采用的是增加調(diào)整管柵電容的充放電流，來(lái)增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)。

近些年，為了提高LDO瞬態(tài)響應(yīng)特性，眾多設(shè)計(jì)者采用增加調(diào)整管柵極驅(qū)動(dòng)電流的方法[1-4]。在保證系統(tǒng)其它性能不受影響的前提下，為了得到快速響應(yīng)，本文基于Lee提出的擺率增強(qiáng)電路（SRE）思想[5]，結(jié)合RC電路的瞬態(tài)特性，提出了一種無(wú)片外電容LDO的瞬態(tài)增強(qiáng)電路。

1 使用擺率增強(qiáng)（SRE）技術(shù)的瞬態(tài)增強(qiáng)電路設(shè)計(jì)

擺率增強(qiáng)技術(shù)是目前提高無(wú)片外電容LDO瞬態(tài)性能的重要技術(shù)。圖1為SRE技術(shù)的系統(tǒng)模型[6-7]。該電路主要有兩個(gè)部分組成：LDO主干電路和SRE電路。首先在LDO中找到一個(gè)能快速響應(yīng)負(fù)載電流和輸入電壓變化的節(jié)點(diǎn)，將該變化信號(hào)傳遞給SRE電路，然后SRE電路在LDO調(diào)整管的柵極產(chǎn)生一個(gè)額外的充放電流，從而使柵極電位快速變化，達(dá)到輸出端快速穩(wěn)壓的目的。

圖1 采用偏置電流增強(qiáng)技術(shù)的LDO框圖Fig.1 Diagram of LDO with the proposed dynamic bias-current boosting technique

1.1 LDO的瞬態(tài)檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)為了降低功耗，采用工作在亞閾值區(qū)的跨導(dǎo)放大器作為L(zhǎng)DO的誤差放大器。圖2（a）為一個(gè)簡(jiǎn)單的LDO電路圖。

圖 2（b）為 LDO的瞬態(tài)檢測(cè)電路[8]，圖中 Vp和 Vn與圖 2（a）相對(duì)應(yīng)，為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓，其中虛線部分為信號(hào)檢測(cè)電路，另外兩條支路分別為一級(jí)放大器。

在檢測(cè)電路中，我們通過(guò)調(diào)節(jié)PMOS和NMOS晶體管的寬長(zhǎng)比，來(lái)使得和在穩(wěn)定狀態(tài)下，通常分別被偏置在接近電源電壓和接地電壓。Vu和Vd為檢測(cè)電路的輸出端，同時(shí)也是偏置電路的輸入端口。

為了給偏置增強(qiáng)電路提供快速和擺幅較大的觸發(fā)信號(hào)。在檢測(cè)電路的輸出端加入了一個(gè)軌到軌的放大器，在這里采用反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2（b）所示。它可以有效地將緩慢變化的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為快速的軌到軌信號(hào)。當(dāng)Vfb正向突變時(shí)，Vg增加，同時(shí)Vn增加，而在Mn上形成一個(gè)較大的柵源電壓Vgs，從而為PMOS調(diào)整管提高一個(gè)大的充電電流。而且Vh和Vl均增加。Vh更加靠近電源電壓，而Vl開(kāi)始從一個(gè)小電壓開(kāi)始增加，使其達(dá)到了反相器CMOS的閾值電壓，因而在Vd產(chǎn)生了從電源電壓到地電壓的擺幅范圍。同樣，當(dāng)Vfb負(fù)相變化時(shí)，會(huì)使Vp增加，從而導(dǎo)致Vh和Vl均下降，而且反相器會(huì)使Vh變化范圍轉(zhuǎn)化為從電源電壓到地電壓的變化范圍，實(shí)現(xiàn)軌到軌的目的。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 帶瞬態(tài)檢測(cè)電路的LDO Fig.2 Diagram of LDO with the transient slewing-detection circuit

圖3 電路內(nèi)部信號(hào)隨Vfb變化曲線Fig.3 Internal signals of the cricuit during the slewing of Vfb

1.2 偏置電流增強(qiáng)電路

檢測(cè)電路將檢測(cè)信號(hào)傳遞給偏置電路，偏置電流增強(qiáng)電路產(chǎn)生一個(gè)瞬間的大偏置電流，進(jìn)而給調(diào)整管的柵電容充電。

本電路主要是利用RC電路在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，電容不能瞬間突變的原理，為輸出端提供一個(gè)瞬時(shí)尖峰脈沖。

利用RC電路產(chǎn)生的脈沖使MOS管導(dǎo)通，電路圖如圖4所示。在信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，為了使偏置電流Ib能隨之變化，本電路采用了上一節(jié)的軌到軌的思想，使得Vgn和Vgp是在VDD到地之間的滿擺幅。為了避免MOS進(jìn)入截止區(qū)，本設(shè)計(jì)采用Mbn和Mbp2個(gè)MOS管并聯(lián)，如下圖所示，保證了信號(hào)的變化過(guò)程中，至少有一個(gè)的MOS管導(dǎo)通。從而使得Mx的漏源電流瞬間增大，Vn增加，進(jìn)而Ib隨之增大。

圖4 偏置電流增強(qiáng)電路Fig.4 Bias-current boosting circuit

上圖中，Vu和Vd作為偏置電路的輸入端口，且是檢測(cè)電路的2個(gè)輸出端。Mb是以二極管形式連接的MOS管，在這里起提供一個(gè)大電阻Rb的作用，Mbn和Mbp與Mb并聯(lián)，Mx和Mn為一個(gè)電流鏡。

穩(wěn)態(tài)下，Vu和Vd均保持不變，此時(shí)電容并不導(dǎo)通，所以Vgn和Vgp分別置地和電源電壓。2個(gè)MOS管均截止，偏置電路由于Mb產(chǎn)生的大電阻Rb，使得偏置電流保持很小，Ib約為40 nA。當(dāng)脈沖出現(xiàn)后，會(huì)在Vgn和Vgp處產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)尖峰電壓，達(dá)到MOS管的閾值電壓，使其導(dǎo)通，而導(dǎo)通的Mbn和Mbp的電阻比并聯(lián)的Mb的電阻小得多，此時(shí)偏置電路的電阻急劇減小，因而在Mx處產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)大漏電流，從而在Mn處鏡像出一個(gè)大的瞬時(shí)偏置電流Ib。

由于RC電路瞬態(tài)特性，Vgn和Vgp是以正負(fù)脈沖的形式傳遞過(guò)來(lái)的，所以偏置電路只是產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的大電流Ib，然后鏡像給LDO，給調(diào)整管的柵電容進(jìn)行充放電，使得柵電壓快速響應(yīng)。當(dāng)柵電容充放電完成后，Vgn和Vgp又迅速恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)，分別偏置到接地電壓和VDD，2個(gè)MOS管又重新截止，偏置電流又恢復(fù)到原來(lái)的低電流狀態(tài)[9]。如圖5所示。

該電路設(shè)計(jì)在穩(wěn)定的狀態(tài)下，靜態(tài)電流保持在較低的水平；突變狀態(tài)下，在提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度的同時(shí)，靜態(tài)電流只是瞬間增大，隨后立即減小為初始值，因而對(duì)系統(tǒng)的功耗并沒(méi)有產(chǎn)生很大影響。

圖5 偏置電路內(nèi)部信號(hào)隨 Vu和Vd變化曲線Fig.5 Internal signals of the cricuit during the slewing of Vuand Vd

2 采用瞬態(tài)增強(qiáng)電路的無(wú)片外電容LDO的電路實(shí)現(xiàn)

本電路設(shè)計(jì)主要包括檢測(cè)電路、偏置電流增強(qiáng)電路、以及LDO主電路。其電路圖如圖6所示。

圖6 帶有檢測(cè)電路和偏置增強(qiáng)電路的LDO的實(shí)現(xiàn)電路Fig.6 Circuit implementation of the LDO with the slewing-detection circuit and the dynamic bias-current boosting circuit

當(dāng)負(fù)載電流正向變化時(shí)，Vfb減小，在上面的電路圖中體現(xiàn)為Vp增大，由于電流鏡作用，使得本身為低電位Vl的繼續(xù)降低，通過(guò)反相器后，Vd保持為高電位不變；而Vh由高電位開(kāi)始減小，在反相器的作用下，Vu由低電位開(kāi)始增加。因而Vgn產(chǎn)生了一個(gè)瞬間的正向電壓脈沖，使得Mbn瞬間導(dǎo)通，從而偏置電流極大增加。使得流過(guò)Mx的漏電流增大，Mx的柵電壓增大，則Vn增大，同時(shí)流過(guò)Mn的漏電流Ib增大。當(dāng)負(fù)載電流負(fù)向變化時(shí)，同理使得Mbp導(dǎo)通，為L(zhǎng)DO電路提供瞬間大電流。本設(shè)計(jì)的偏置電流在激勵(lì)信號(hào)的作用下為17.5 μA，在穩(wěn)態(tài)時(shí)為40 nA。

3 電路的仿真結(jié)果

電路基于SMIC的0.18 μm工藝進(jìn)行仿真。由于穩(wěn)態(tài)下偏置電流設(shè)計(jì)的比較低，Ib=40 nA，所以整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)電流只有 3.2 μA。

如圖7所示，圖中虛線表示的偏置電流為40 nA的頻率響應(yīng)，實(shí)線為偏置電流為17.5 μA的頻率響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，偏置電流為40 nA，其相位裕度為90.19°。當(dāng)遇到激勵(lì)信號(hào)時(shí)，瞬時(shí)偏置電流為17.5 μA，其相位裕度為91.35°。所以系統(tǒng)在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，沒(méi)有降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了得到瞬態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，我們通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)電路與沒(méi)有采用偏置增強(qiáng)電路的LDO進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)與線性瞬態(tài)響應(yīng)的仿真。兩組LDO的仿真條件一樣。

對(duì)負(fù)載響應(yīng)進(jìn)行仿真時(shí)，電源電壓為1.8 V，輸出電壓為1.3 V。負(fù)載電流在10 ns內(nèi)從50 mA增加到100 mA，經(jīng)過(guò)400 μs后，又變回到 50 mA，如圖 8（a）所示?？梢钥闯鲈谪?fù)載電流發(fā)生跳變的兩個(gè)時(shí)刻，偏置電流Ib都發(fā)生了明顯的瞬時(shí)增大。響應(yīng)時(shí)間分別為8 μs和4 μs遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)沒(méi)加偏置增強(qiáng)電路的LDO的響應(yīng)時(shí)間28 μs和30 μs，很大程度上提高了系統(tǒng)的負(fù)載響應(yīng)性能。對(duì)線性響應(yīng)進(jìn)行仿真，在保證輸出電壓為1.3 V，負(fù)載電流為100 mA的前提下，電源電壓在10 ns的時(shí)間內(nèi)從1.8 V增加到2.3 V，經(jīng)過(guò)400 μs后，又變回到1.8 V，如圖8（b）所示。同樣可以看到在電源電壓發(fā)生跳變的過(guò)程中，偏置電流出現(xiàn)了瞬間增大。結(jié)果顯示本設(shè)計(jì)的線性響應(yīng)時(shí)間分別從 47 μs和 40 μs提高到 15 μs和 7 μs， 比傳統(tǒng)LDO瞬態(tài)響應(yīng)性能提高了很多。

圖7 LDO環(huán)路增益的幅頻和相頻曲線（Ib=40 nA，Ib=17.5 μA）Fig.7 Magnitude and phase response of LDO loop gain （Ib=40 nA， Ib=17.5 μA）

圖8 常規(guī)LDO和本設(shè)計(jì)LDO瞬態(tài)響應(yīng)特性模擬曲線Fig.8 Simulated transient response of the conventional and proposed LDOs

4 結(jié) 論

文中針對(duì)一款低功耗的無(wú)片外電容的LDO，利用偏置電流增強(qiáng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)電路?；赟MIC的0.18 μm CMOS工藝，使用Spectre仿真工具，對(duì)電路仿真驗(yàn)證表明，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間由原來(lái)的28 μs提高到8 μs，線性瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間從47 μs減小到15 μs。在不影響整個(gè)系統(tǒng)功耗的前提下，有效地提高了LDO的瞬態(tài)響應(yīng)性能。而且整個(gè)電路的相位裕度保持在90.19°以上，保證了電路響應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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