隨著便攜設備應用的快速發展，電源管理系統已經成為當前集成電路產業中的一個熱點。LDO（LowDropoutRegulator）線性穩壓器，也稱低壓差線性穩壓器，在電源管理系統中，能夠有效抑制電源噪聲電壓，在電源電壓不穩定的時候提供穩定純凈的輸出電壓。無片外電容的LDO可實現片上集成，已經成為DRAMs、PLLs和EPROMs等對噪聲敏感器件的重要組成部分。

　　LDO有很多重要的參數，如靜態電流、跌落電壓、負載穩壓度（load regulation）、線性穩壓度（lineregulation）、PSR和芯片面積等，其中小面積、低靜態電流是當今越來越小的片上系統的發展趨勢，而比較高的PSR也受到越來越人們的關注，已經有多種不同的方法來提高LDO的PSR.本文介紹了一種高PSR、低功耗、小面積的片上LDO的設計方法。

　　2LDO的工作原理是LDO基本結構圖，它包括一個帶隙基準（bandgap）、一個誤差放大器（EA）、一個PMOS傳輸器件和電阻反饋網絡，其中是EA的靜態電流，它和PMOS傳輸器件的靜態電流決定了LDO的靜態功耗。71和匚是負載電流和負載電容，代表了LDO所驅動負載的狀況。基準電壓由帶隙基準產生，它能產生一個與溫度無關的，穩定的電壓，用來和反饋電壓做校準。

　　LDO的基本結構圖帶隙基準產生一個穩定的與溫度無關的電壓，由于EA的增益比較高，所以會使正負兩個輸入端的電壓接近相等，這樣便可以通過調整反饋電阻的大小，來得到想要的輸出電壓。輸出電壓達到期望值時，當輸出電壓有微小的升高，會使EA的輸出電壓也升高，從而使流過傳輸PMOS器件的電流減小，輸出電壓也變小，起到了反饋調節的作用，使輸出電壓穩定。輸出電壓降低時同理。所以，LDO可以提供一個穩定的輸出電壓。

　　3高PSR的LDO結構如所示，輸入電源噪聲主要通過三條路經來傳輸到LDO的輸出端。第一條路經是通過bandgap的輸出，經過EA的放大和PMOS傳輸器件達到輸出端。對于這條路經，降低輸出噪聲的方法主要是提高bandgap的PSR，使它的輸出電壓受輸入電源電壓的噪聲干擾減小。第二條路徑是輸入電壓直接從PMOS傳輸器件的源端直接傳輸到LDO的輸出端。由于基本結構的LDO中PMOS傳輸器件的源端是直接與輸入電壓相連，所以源端會包含所有的輸入噪聲電壓。第三條路經是輸入電壓通過EA的VIN端輸入，從其輸出端輸出到PMOS傳輸器件的柵端，然后再傳輸到LDO的輸出端，這條路徑與EA的PSR有關。

　　（b）所示為EA第一級M2和M4的小信號模型，由（b）可以得到一般情況下1/心4rdS2，所以Vg近似等于Vdd.這樣M6的柵源電壓都含有近似相同的電源噪聲，柵源電壓查Vgs便不含電源噪聲，產生的電流也基本不含電源噪聲，使EA的輸出噪聲基本為零。

　　EA結構與EA第一級小信號模型由于PMOS器件柵端電壓基本無電源噪聲干擾，而PMOS器件源端是直接與輸入端相連，所以柵源電壓差會有比較高的噪聲電壓差，使流經PMOS的電流中也受到比較強的電源紋波噪聲干擾。有兩種方法可以降低輸出端的噪聲干擾。第一種是使PMOS器件柵端電壓也含有同輸入電壓相同的電源噪聲電壓；另一種則是使PMOS器件源端電源噪聲電壓基本為零。這兩種方法都會使PMOS的柵源電壓差對于電源噪聲干擾基本為零，產生不受電源噪聲干擾的電流，進而得到基本不受電源噪聲電壓干擾的輸出電壓，使EA的PSR得到了提升。

　　由于EA的輸出電源噪聲基本為零，所以提高PSR的方法是使PMOS的源端電壓電源噪聲為零。改進的電路圖如所示。

　　高PSR的LDO結構在PMOS器件源端增加了一個NMOS器件，同時在NMOS的柵端連接一個RC濾波器，它會將柵端電壓中的電源噪聲干擾大部分被濾除，使得柵端不受電源噪聲影響，從而使其源端也不受電源噪聲的干擾，使得PMOS器件的源端電壓也不受電源噪聲干擾，得到受輸入電源電壓噪聲干擾比較小的LDO輸出電壓。

　　使輸出擺幅降低，降低電壓余量。但是如果用nativeNMOS可以使這個問題得到解決。因為nativeNMOS的閾值電壓很低，約為一0.000 3V，所以這個NMOS會始終保持導通并使源端電壓十分接近漏端電壓，這樣就能保持很好的電壓余量的同時，提高了PSR. Bandgap的PSR改進結構如所示。該結構由三部分組成：Bandgap核心電路、PSR改進結構和啟動電路。Bandgap核心電路用來產生一個與溫度無關的帶隙電壓，啟動電路是為了防止Bandgap工作在零電流工作狀態，使之正常工作。PSR改進部分由一個NMOS，M10和一個二極管連接的PMOS，Ml1組成。二極管連接的M11有一個很低的阻抗1/心11，其中gmi是Mil的跨導，。是M10的源漏電阻，可以得到所以，Ml和M2的柵源電壓差基本不受輸入電源電壓噪聲干擾，產生不受電源噪聲干擾的電流，使輸出電壓中基本不含有輸入電源噪聲電壓，0.18MmCOMS工藝進行設計，其總體靜態電流為10，輸入電壓V時，輸出穩定電壓為2.5 V；當輸入電壓低于2.5 V時，輸出電壓則與輸入電壓相同。負載電容范圍為60500pF，負載電流范圍為0500 MA.PSR對負載電容分別為60 pF、200pF、500pF進行測試，得到低頻下PSR為一46.3dB，比較壞的情況下也能達到一27. 5dB，比改進前提高了約16dB.對負載電流分別為0、0 MA、500八進行測試，得到低頻下PSR約為一45.6 dB，比較壞的情況也能達到一18.7 dB，比改進前提高了約12dB.這樣在輸出端得到的輸入電源噪聲會比較小，對噪聲有了比較好的抑制。PSR測試結果如所示。

　　關于穩定性，同樣是在負載電流分別為0，10 A和負載電容分別為60pF，200pF，500pF進行開環測試，測得的相位裕度（phasemargin）在負載電流為、1uA、500pA條件下分別為89. pF條件下分別為71.4°、66.5°、48.5°保證了系統的穩定。

　　瞬態測試結果如所示，在低于2.5V的情況下，輸出保持和輸入電壓相同。在高于2.5V的情況下，輸出電壓則穩定在2.5V，電壓波動會在2內穩定，過沖電壓的比較大變化為3. 4%，達到了輸出穩定電壓的效果。

　　5結束語文中設計了一種低功耗，高電源抑制比的LDO，在TSMC0. 18CMOS工藝下，靜態電流僅有10 PA，非常低的功耗適合于在芯片上集成。同時，整體結構的PSR也得到了改進，低頻下達到一45dB，比較差的情況也達到了一20dB左右，很好地抑制了輸入電源電壓的紋波噪聲，更適合于對噪聲敏感的電路。