王 常，吳 震，鄧朝勇

（貴州大學 理學院 貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

近年來，隨著信息產業(yè)的巨大發(fā)展，人們對便攜式電子產品需求量日益增加。而低壓差穩(wěn)壓器（Low-Dropout Regulator，LDO）以其低噪聲、低紋波、體積小、應用簡單等優(yōu)點被廣泛應用于電池供電系統(tǒng)的便攜式電子設備上。隨著SoC（片上系統(tǒng)）的發(fā)展，要求盡可能地減少外圍電路，越來越多的模塊被納入芯片內部。因而對LDO而言，無片1外電容LDO就成為LDO發(fā)展的新趨勢。

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

針對無片外電容LDO的瞬態(tài)特性，常用的解決辦法是縮短調整管柵電容的充放電時間。由于調整管柵電容的充放電時間與電流成反比，與其電容成正比。因此減小柵電容的充放電時間的途徑有：增大調整管柵極的驅動電流，或者減小調整管柵極的等效阻抗或等效電容。本文采用的是增加調整管柵電容的充放電流，來增強瞬態(tài)響應。

近些年，為了提高LDO瞬態(tài)響應特性，眾多設計者采用增加調整管柵極驅動電流的方法[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，本文基于Lee提出的擺率增強電路（SRE）思想[5]，結合RC電路的瞬態(tài)特性，提出了一種無片外電容LDO的瞬態(tài)增強電路。

1 使用擺率增強（SRE）技術的瞬態(tài)增強電路設計

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

圖1 采用偏置電流增強技術的LDO框圖Fig.1 Diagram of LDO with the proposed dynamic bias-current boosting technique

1.1 LDO的瞬態(tài)檢測電路

本設計為了降低功耗，采用工作在亞閾值區(qū)的跨導放大器作為LDO的誤差放大器。圖2（a）為一個簡單的LDO電路圖。

圖 2（b）為 LDO的瞬態(tài)檢測電路[8]，圖中 Vp和 Vn與圖 2（a）相對應，為檢測節(jié)點的電壓，其中虛線部分為信號檢測電路，另外兩條支路分別為一級放大器。

在檢測電路中，我們通過調節(jié)PMOS和NMOS晶體管的寬長比，來使得和在穩(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為檢測電路的輸出端，同時也是偏置電路的輸入端口。

為了給偏置增強電路提供快速和擺幅較大的觸發(fā)信號。在檢測電路的輸出端加入了一個軌到軌的放大器，在這里采用反相器來實現(xiàn)，如圖2（b）所示。它可以有效地將緩慢變化的檢測信號轉化為快速的軌到軌信號。當Vfb正向突變時，Vg增加，同時Vn增加，而在Mn上形成一個較大的柵源電壓Vgs，從而為PMOS調整管提高一個大的充電電流。而且Vh和Vl均增加。Vh更加靠近電源電壓，而Vl開始從一個小電壓開始增加，使其達到了反相器CMOS的閾值電壓，因而在Vd產生了從電源電壓到地電壓的擺幅范圍。同樣，當Vfb負相變化時，會使Vp增加，從而導致Vh和Vl均下降，而且反相器會使Vh變化范圍轉化為從電源電壓到地電壓的變化范圍，實現(xiàn)軌到軌的目的。仿真結果如圖3所示。

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

圖3 電路內部信號隨Vfb變化曲線Fig.3 Internal signals of the cricuit during the slewing of Vfb

1.2 偏置電流增強電路

檢測電路將檢測信號傳遞給偏置電路，偏置電流增強電路產生一個瞬間的大偏置電流，進而給調整管的柵電容充電。

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

利用RC電路產生的脈沖使MOS管導通，電路圖如圖4所示。在信號發(fā)生突變時，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進入截止區(qū)，本設計采用Mbn和Mbp2個MOS管并聯(lián)，如下圖所示，保證了信號的變化過程中，至少有一個的MOS管導通。從而使得Mx的漏源電流瞬間增大，Vn增加，進而Ib隨之增大。

圖4 偏置電流增強電路Fig.4 Bias-current boosting circuit

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

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

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

該電路設計在穩(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)響應速度的同時，靜態(tài)電流只是瞬間增大，隨后立即減小為初始值，因而對系統(tǒng)的功耗并沒有產生很大影響。

圖5 偏置電路內部信號隨 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)增強電路的無片外電容LDO的電路實現(xiàn)

本電路設計主要包括檢測電路、偏置電流增強電路、以及LDO主電路。其電路圖如圖6所示。

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

當負載電流正向變化時，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，通過反相器后，Vd保持為高電位不變；而Vh由高電位開始減小，在反相器的作用下，Vu由低電位開始增加。因而Vgn產生了一個瞬間的正向電壓脈沖，使得Mbn瞬間導通，從而偏置電流極大增加。使得流過Mx的漏電流增大，Mx的柵電壓增大，則Vn增大，同時流過Mn的漏電流Ib增大。當負載電流負向變化時，同理使得Mbp導通，為LDO電路提供瞬間大電流。本設計的偏置電流在激勵信號的作用下為17.5 μA，在穩(wěn)態(tài)時為40 nA。

3 電路的仿真結果

電路基于SMIC的0.18 μm工藝進行仿真。由于穩(wěn)態(tài)下偏置電流設計的比較低，Ib=40 nA，所以整個系統(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，實線為偏置電流為17.5 μA的頻率響應。當系統(tǒng)處在穩(wěn)定狀態(tài)時，偏置電流為40 nA，其相位裕度為90.19°。當遇到激勵信號時，瞬時偏置電流為17.5 μA，其相位裕度為91.35°。所以系統(tǒng)在瞬態(tài)響應時，沒有降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了得到瞬態(tài)響應的結果，我們通過對本設計電路與沒有采用偏置增強電路的LDO進行負載瞬態(tài)響應與線性瞬態(tài)響應的仿真。兩組LDO的仿真條件一樣。

對負載響應進行仿真時，電源電壓為1.8 V，輸出電壓為1.3 V。負載電流在10 ns內從50 mA增加到100 mA，經過400 μs后，又變回到 50 mA，如圖 8（a）所示。可以看出在負載電流發(fā)生跳變的兩個時刻，偏置電流Ib都發(fā)生了明顯的瞬時增大。響應時間分別為8 μs和4 μs遠小于傳統(tǒng)沒加偏置增強電路的LDO的響應時間28 μs和30 μs，很大程度上提高了系統(tǒng)的負載響應性能。對線性響應進行仿真，在保證輸出電壓為1.3 V，負載電流為100 mA的前提下，電源電壓在10 ns的時間內從1.8 V增加到2.3 V，經過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)生跳變的過程中，偏置電流出現(xiàn)了瞬間增大。結果顯示本設計的線性響應時間分別從 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和本設計LDO瞬態(tài)響應特性模擬曲線Fig.8 Simulated transient response of the conventional and proposed LDOs

4 結 論

文中針對一款低功耗的無片外電容的LDO，利用偏置電流增強技術，設計出了一個瞬態(tài)響應增強電路?；赟MIC的0.18 μm CMOS工藝，使用Spectre仿真工具，對電路仿真驗證表明，負載瞬態(tài)響應時間由原來的28 μs提高到8 μs，線性瞬態(tài)響應時間從47 μs減小到15 μs。在不影響整個系統(tǒng)功耗的前提下，有效地提高了LDO的瞬態(tài)響應性能。而且整個電路的相位裕度保持在90.19°以上，保證了電路響應過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]Jaime R A.A novel slew-rate enhancement technique for one stage operational amplifers[C]//Midwest Symposium.Circuits and Systems，Ames，IA，1996:11-13.

[2]Yoon K S.A CMOS digitally programmable slew-rate operational amplifer[J].IEEE Transactions on Circuits Systems II，Analog and Digital Signal Processing，1995，42（11）:738-741.

[3]Klinke R，Hosticka B J，Pfleiderer H J.A very-high-slew-rate CMOS operational amplifer[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1989，24（6）:744-746.

[4]Nagaraj K.CMOS amplifers incorporating a novel slew rate enhancement circuit[C]//Custom Integrated Circuits Conference，1990:1161-1165.

[5]Hoi Lee，P K T，Leung K N.Design of low-power analog drivers based on slew-rate enhancement circuits for CMOS low-dropout regulators[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II， Express Briefs， 2005， 52（9）:755-759.

[6]G A， Rincón-Mora.Current-effcient low-voltage low dropout regulators[D].Atlanta:Georgia Institute of Technology，1996.

[7]Hoi Lee，Mok P K T.A CMOS current-mirror amplifer with compact slew rate enhancement circuit for large capacitive load applications[C]//International Symposium.Circuits and Systems，2001:220-223.

[8]崔巖.采用T型電路參數(shù)法對現(xiàn)場電流互感器測量的研究[J].陜西電力，2011（9）：63-66.CUI Yan.Probe into the T-circuit parameter method for field CTs measurement[J].Shaanxi Electric Power，2011（9）：63-66.

[9]李軍浩，胡泉偉，吳磊，等.極化/去極化電流測試技術的仿真研究[J].陜西電力，2011（4）：1-5.

LI Jun-hao，HU Quan-wei，WU Lei，et al.Simulation study of polarization and depolarization current measurements technology[J].Shaanxi Electric Power，2011（4）：1-5.