1、 大规模集成电路设计、制造与应用 1引言随着 5G 通信和可穿戴设备等市场的快速增长，IC 设计向高集成、低功耗转型。为顺应发展潮流，LDO 也趋于低功耗和高性能的设计。例如文献1中提出基于 FVF 的无片外电容 LDO，在 1.2V 电源下静态消耗电流 13.2A，下冲电压为 341mV。文献2提出全集成超快速瞬态 LDO，静态电流 100A，恢复时间 150ns。文献3提出了高 PSR 的采用 FFRC技术的 LDO，静态电流为 50A。韩旭等人4通过偏置电流辅助电路改善 LDO 转换速率，其输出电压为1.2V，当负载电流从 1mA 跳变到 100mA 时，过冲电压为 285mV，静态工作
2、电流为 19A。周梦嵘等5采用密勒补偿保证系统稳定实现低功耗，LDO 整体消耗电流为 17.7A。张吉伟等6提出的低功耗 LDO电路采用了零点补偿，低功耗下模式下，静态电流为3.75A。梁绪亮等人7提出 LDO 片内补偿设计，电压过冲很低但静态工作电流为 5A。基于现有成果，以进一步降低功耗和减小过冲电压为目标，本研究尝试提出一种全新的设计方案。2电路结构设计新设计的 LDO 系统框图如图 1 所示。与传统低压差线性稳压器相比，在电压驱动电路方面做出全一种低功耗无片外电容低压差线性稳压器设计*任建，袁申，辛晓宁，姜龙（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）摘要:为降低 LDO 稳
3、压器在芯片中的占用面积、减小待机状态下的电流消耗，设计一种低功耗、无片外电容的新型 LDO。设计中采用动态电流偏置电路以及全新的电流负反馈型电压驱动电路，来提高 LDO 线性调整率。通过实验与其他设计方案对比，观察在一定输入电压、输出电压条件下，负载电流变化对最大上冲电压、下冲电压的影响。新设计 LDO 在空载条件下消耗的电流为 3.13A，在降低功耗同时提高了过充电压抑制能力，有着明显的产品优势，低功耗应用前景广阔。关键词：低压差线性稳压器；无片外电容；线性调整率；动态置偏；低功耗DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.001中图分类号:TN402文献标识码
4、:A文章编号：1002-2279（2023）02-0001-04Design of a Low-Power LDO Linear Regulator withoutOff-Chip CapacitorREN Jian,YUAN Shen,XIN Xiaoning,JIANG Long(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:In order to reduce the occupied area of LDO re
5、gulator in the chip and reduce the currentconsumption in standby state,a new LDO regulator with low power consumption and no off-chip capacitanceis designed.In the design,dynamic current bias circuit and new current negative feedback voltage drivecircuit are used to improve the linear regulation rat
6、e of LDO regulator.By the experiment comparing withother design schemes,the influence of load current change on the maximum overshoot voltage and under-shoot voltage is observed under certain input voltage and output voltage conditions.The newly designedLDO regulator consumes 3.13A under no-load con
7、dition,which can reduce power consumption and im-prove the ability of restraining overcharge voltage.It has obvious product advantages and broad applicationprospects of low power consumption.Key words:LDO linear regulator;Off-chip capacitance-free;Linear adjustment rate;Dynamic bias;Low power consum
8、ption基金项目：国家自然科学基金面上项目(6187011861)作者简介：任建（1981），女，辽宁省台安县人，博士，讲师，主研方向：SoC、射频 IC 及信号处理。收稿日期：2022-10-19*微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年面改进，采用动态电流偏置结合电压驱动电路来提高 LDO 的线性调整率，改善电路性能。动态偏置 LDO 系统结构包含基准电压电路、差分放大器、动态偏置电路、电压驱动电路、滤波电路。基准电压电路为 LDO 提供输入参考电压以及为动态偏置电路提供限位电压。电压驱动电路是 LDO的快速通路，
9、采用电流负反馈提高线性调整率，为驱动负载提供电流。动态偏置电路的基本单元如图 2 所示。图中V_back 端口是用来输入来自 LDO 的反馈电压；VT为基准电压源所提供的限位电压。当反馈电压V_back 小于 VT时，X 点处的电压 VX快速下降，此时M7 管的漏端输出电流增加。当反馈电压 V_back 大于 VT时，X 点处的电压 VX快速上升，M7管的漏端输出电流减少。通过判断反馈电压的大小来调整输出电流，从而实现动态偏置。整个系统由两个类似的基本单元构成。分别处理低于典型电压和高于典型电压两种情况。另一部分是以 NMOS 管为输入和输出管的电压比较器组成，其电路结构与图 2 结构类似，电
10、路原理相同，功能互补。如图 3 所示即为本设计提出的全新电流负反馈型电压驱动电路。图中 MPW管为电压驱动器的调整管，为负载提供工作电流。该电压驱动电路的工作原理如下：假设负载所需电流突然增加，需要从MPW抽取大量电流，但 MPW为满足负载所需要的电流需要一定时间，导致 VOUT电压降低，MPW栅极电压随之降低，导致 M14与 M15中流过电流减小。由于M15为二极管接法，此时 M15与 M16的栅极电压下降。M16与 M8构成共源级放大器，当 M16的输入电压即 M16栅压降低时，放大器的输出会增加，Y 点电压会迅速增加，使 MPW的栅压提高，实现负反馈调整。动态偏置的输出也是通过调整 Y
11、点电压来提高LDO 的线性调整率。3频率响应分析快速通路及其小信号模型的原理图如图 4。通过分析可知，快速通路经过滤波电路与慢速通路相连接，由于两通路工作在不同的频带，所以在分析快速通路时不考虑慢速通路的影响。快速通路包含三个节点，其中节点 3 为输出节点，作为该结构的主节点。节点 1 的电容主要由 C1所提供，其大小远小于负载电容。节点电阻主要由 M8和 M16的导通电阻提供；节点 2 的电容主要由 M16与 M15的栅极提供。由于 MPW为 NMOS，从输出端看进去的阻抗大小约为1/gm，所以可以降低快速通路的环路增益；从 M14管的源端看进去的阻抗值也约为 1/gm，因此它可以工作在一个
12、非常高的频带下。由于它还处在主极点处，所以还有助于快速通路拥有比较大的-3dB 带宽。快速通路的环路增益可由下式表示：主极点与次极点的公式为：图 3电流负反馈型电压驱动电路图 2动态偏置电路单元电路VDDVBPVTM13M2M3M4M5M6M7M17M12M18IUPGNDV_backX图 1新设计 LDO 系统框图基准电压电路VREFVOUTCLVsetIL电压驱动滤波电路VIN差分放大器动态偏置VTVDDVOUTVBPC1M8MPWM14M15M16GND动态偏置差分放大器VrefY(1)m14 o14 oMPWL1voMPW12o14m15L(1)grrR RArR RrgR=-+(2)
13、1m15o8o16m16mMPW(|)Rgrrgg=+(3)2o14m14Lm151RrgRg=+1pOUTOUT1RC=(4)22 期增益带宽积（GBW）则为：以上各式中，gmMPW、gm8、gm14、gm15、gm16分别为调整管 MPW、M8、M14、M15、M16晶体管的跨导，ro8、ro15、ro16分别为晶体管等效电阻，ROUT与 COUT为 LDO 的输出阻抗与输出电容，RO为节点 1 对地电阻，RL与 CL分别为负载电阻和负载电容。当电源电压为 3V、负载电流为 20mA 时，LDO电路的幅频特性如图 5 所示。此时电路开环低频增益为 82.92dB，相位裕度为 53.3。当电
14、源电压不变，负载电流减小至 100A，此时电路的开环低频增益为 82.95dB，相位裕度为 57.4。4仿真结果仿真选用工艺为 TSMC 0.18m 3V 元件库，进行电路设计与搭建，其支持 2.5V3.6V 工作电源电压范围，输出典型电压值为 1.2V，负载电流动态范100A20mA。仿真数据均为典型工艺角下测得。本设计的 LDO 在电源电压 3V、负载电流变化范围 100A20mA、跳变边沿时间为 100ps、工作温度为 25条件下的瞬态响应仿真结果如图 6 所示。从仿真结果得到当负载电流在 100A20mA范围内跳变时，LDO 输出电压的最大上冲电压为159mV，最大下冲电压为 181m
15、V。LDO 的线性仿真结果如图 7 所示。可见当电源电压从 2.5V 增加到 3.6V 时，LDO 输出电压的变化非常微小，线性调整率仅为 0.33mV/V，这得益于LDO 有着很高的低频 PSRR。LDO 电路正常工作时的电流消耗如图 8 所示。从图中可以看出 LDO 在电源电压较高时的功耗也会很高，在没有负载，电源电压 3.6V，温度为图 8LDO 工作消耗电流仿真结果图 7LDO 线性仿真结果图 6瞬态响应仿真结果图(5)(6)(7)LoMPWOUTLoMPW1L oMPW()RrRRrRR r+=+LoMPW1L oMPWp1LoMPWL()()RrRR rRrC+=+2o8o16pO
16、1o8 o1611rrR Cr r C+=(8)m14 o14 oMPWL1LoMPW1L oMPWBWoMPW12o14m15LLoMPWL()(1)()gr rR RRrRR rGrR RrgRRrC+=-+图 4快速通路结构图 5LDO 环路频率特性(b)相位(a)增益频率/Hz频率/Hz(a)模拟负载电流跳变时间/s时间/s(b)LDO 输出电压电源电压/V温度/任建等：一种低功耗无片外电容低压差线性稳压器设计M8MPWVDDGNDVBPVINC1M16M15RLCLVOUTro8ro16gm16VGS16C1RLCLro14ro15-gm14(VIN-VOUT)roMPWgmMPWVGSMPW1231233微处理机2023 年125时 LDO 电路所消耗的电流为 3.075A。最小工作电流在电源电压 2.5V、温度-40条件下为2.844A。由此表明所提出的 LDO 可以在超低功耗条件下正常工作。该款 LDO 的性能测试指标与其他无片外电容LDO 的对比情况由表 1 列出。从对比结果可以看出本设计的 LDO 结构在静态功耗和线性调整率等方面有着一定的优势。5结束语经过全新设计
