一种两级误差放大器结构的LDO设计设计 一种两级误差放大器结构的 基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺，设计了一种两级误差放大器结构的LDO稳压器。该电路运用两级误差放大器串 联方式来改善LDO的瞬态响应性能，采用米勒频率补偿方式提高其稳定性。两级放大器中主放大器运用标准的 折叠式共源共栅放大器，决定了电路的主要性能参数；第二级使用带有AB类输出的快速放大器，用来监控LDO 输出电压的变化，以快速地响应此变化。电路仿真结果显示：在电源电压为5 V时，输出为1.8 V，输出电压的温 度系数为10×10-6/℃；当电源电压从4.5 V到5.5 V变化时，线性瞬态跳变为48 mV；当负载电流从0 mA到60 mA 变化时，负载瞬态跳变为5 mV。且环路的相位裕度为74°，整个电路的静态电流为37 μA。该电路结构的瞬态跳 变电压值远小于其他电路结构，且能实现低功耗供电。 近年来，随着电子产品的日益复杂化和多样化，对稳压电源的要求不断提高，促使稳压电源向高稳定性、高集成度和 当LDO的电源电压或负载有一个快速的变化时，输出电压会有一个短暂的尖峰脉冲，此尖峰脉冲会导致大多数的电路工作 不稳定，因此，改善电路的瞬态性能十分重要[3]。传统的LDO结构中，电路多使用单级误差放大器，这种结构从输出电压发 生变化到反馈给误差放大器做出调整有一定的迟滞，导致输出产生尖峰脉冲。为了减小迟滞时间、改善瞬态性能，设计了一种 采用米勒补偿的 1 工作原理与性能分析 工作原理与性能分析 图1为传统的LDO结构，主要由带隙基准源、误差放大器、功率调整管和反馈网络等四部分组成。基准源给误差放大器提供 一个基准电压，电阻反馈网络将输出电压分压后反馈给误差放大器，放大器将基准电压和反馈电压比较后的差值进行放大后输 出作为调整管的栅极电压，改变调整管的电流，进而调整输出电压，使输出电压保持恒定。输出电压的表达式为 VOUT=VREF(1+Rf1/Rf2)，当基准电压确定后，输出只与反馈电阻有关系。因此，可通过改变反馈电阻的比值来改变输出电 压的大小，实现多值输出。 传统的LDO结构采用ESR(Equivalent Series Resistance)补偿，CL是输出端外接的大电容，RESR为串联等效电阻，利用 CL与RESR产生的零点对电路中的第一非主极点进行补偿，使电路达到稳定[4]。这种补偿方式需要电容和电阻的取值在一定 的范围内才能使环路稳定。而电阻值容易受到环境温度和工艺等因素的影响，所以补偿不精确，环路稳定性较差[5]。且补偿 电容需大面积片外电容，使得芯片面积较大，不能满足高集成度的要求。 本设计针对传统结构的诸多缺点做了有效的改进。如图2所示，设计了一种两级误差放大器结构的LDO线性稳压器。主放大 器A1是标准的折叠式共源共栅放大器，这种结构使电源抑制特性和输入共模范围得到改进[6]，它决定了LDO的主要性能参 数，用来确保LDO的良好性能；放大器A2是一个快速放大器，其结构如图3所示，只有增益级和一个AB类输出级，主要对 LDO输出电压进行监控，AB类放大器可缩短充电时间[7]，以快速响应瞬变，进而进行调节。 

当需供电电路在不同模式之间切换时，负载电流会有一个快速的变化，从而导致输出电压改变，直到调整管调节此变化使 输出稳定。使用图1所示的单级误差放大器时，从输出电压发生变化到误差放大器做出反应的过程中，由于需要对寄生电容进 行充电，因此将有一定的延迟效应。延迟效应会使输出电压有一个尖峰脉冲，因此减小延迟时间可使输出瞬变减小。在图2所 示的电路中，使用两级误差放大器串联的方式可有效改善这一性能。当负载电流发生变化时，输出电压的变化通过R2反馈到 快速误差放大器A2，与前一级的输出相比，它不需很大面积的调整管，因此寄生电容较小。可对寄生电容进行快速充电，对 输出电压的变化做出快速响应，从而缩短延迟时间、减小尖峰脉冲电压，因此可以改善它的负载瞬态响应性能。当LDO达到 稳态时，它的输入差值为零，所以不改变整体性能参数。同时，这种结构不需要使用大宽长比的功率调整管就可以达到较高的 负载电流能力，可有效减小芯片面积。 运用米勒补偿方法对电路进行补偿，通过在输出级与第二级跨导的输入级之间跨接一个电容来实现，如图2所示。在前馈通 路中加入一个电阻与补偿电容串联，增大补偿电路在高频时的阻抗值，从而减小前馈电流，使得右半平面的零点推至高频处， 甚至消除，留下一个左半平面的零点，以增加环路的相位裕度[8]。 2 整体电路设计与性能仿真 整体电路设计与性能仿真 2.1 整体电路设计 整体电路设计 如图4所示，LDO的核心电路主要由偏置电路、一级误差放大器、功率调整管、二级误差放大器等四部分组成。偏置电路通 过电流镜为整个电路提供偏置电流，保证静态工作点；一级误差放大器采用折叠式共源共栅结构，具有增益高、摆幅大、速度 高等优点；功率管选用PMOS管，利于增大负载电流；第二级误差放大器采用快速放大器，对输出电压的变化做出快速的调 节。 2.2 电路性能仿真 电路性能仿真 基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺设计了一种电源电压为5 V、输出为1.8 V的LDO稳压器电路，芯片面积为150 μm×105 μm。对电路进行仿真，如图5所示。当温度从-40 ℃到125 ℃变化时，输出电压的温度系数为 10×10-6/℃，可见输出电压随温度变化很小。电路的静态电流为37 μA，可实现低功耗供电。 图6所示为LDO在负载电流为45 mA、频率从0.1 Hz到100 MHz变化时的幅频和相频特性曲线。当相位裕度大于60° 时，环路可达到稳定，相位裕度越大，环路稳定性越好，但时间响应减慢[9]。因此，应在稳定性和响应时间之间做折中考 虑。从图中可以看出，环路的相位裕度为74°，单位增益带宽为4 MHz，环路可达到很好的稳定性。 

LDO的线性和负载瞬态响应特性曲线如图7所示。图7(a)为线性瞬态响应特征曲线。从图中可看出，当输入电压从4.5 V到 5.5 V变化时，输出电压变化仅为48 mV左右；图7(b)为负载瞬态响应特性曲线，从图中可看出，当负载电流从0 mA到60 mA 变化时，输出电压变化仅为5 mV左右。因此，本结构瞬态跳变远小于其他电路结构。 本文设计了一种米勒补偿的两级误差放大器结构的LDO线性稳压器，通过两级误差放大器串联结构缩短输出变化与放大器 反应之间的延迟时间，改善输出电压的瞬态响应特性。同时，采用电阻与补偿电容串联的米勒补偿方式对环路进行补偿，增加 环路的稳定性。SMIC 0.18 μm CMOS 工艺下的仿真结果表明，电路的整体版图面积为150 μm×105 μm， 环路的相位裕度为74°；电源电压从4.5 V到5.5 V变化时，线性瞬态跳变为48 mV；负载电流从0 mA到60 mA变化时，负 载瞬态跳变为5 mV，远小于一般单级误差放大器结构LDO的瞬态特性；且电路的静态电流为37 μA，实现了低功耗供电。 参考文献 参考文献 [1] RINCON-MORA G A，ALLEN P E.A low-voltage，low quiescent current，low drop-out regulator[J].IEEE Journal of 

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