LDO線性穩壓器具有噪聲低、功耗低和結構簡單等突出優點，廣泛應用于移動通信終端、筆記本電腦等便攜式電子產品中。當輸入電壓在一定范圍內，在允許的負載范圍下，LDO能夠保證輸出電壓穩定，提高電池壽命111.電子產品的高速發展，對LDO的諸多性能提出了越來越高的要求，如寬負載電流范圍下的穩定性、輸出電壓范圍和精度、瞬態響應時間和靜態電流等。

　　本文設計了一種全反饋模式的高穩定性LDO線性穩壓器，用以提高LDO系統穩定性、瞬態響應時間、輸出電壓范圍和精度，并減小靜態電流、噪聲和芯片面積。

　　2傳統LDO性能分析所示為傳統的LDO拓撲結構21，主要由誤差放大器OPA、調整管Mp、電阻反饋網絡R1和R2組成。其中，Vrf是輸入基準電壓，Rl、和Resr分別是負載電阻、負載電容和寄生電阻Gd、Gar、Rds和Ro是2.1直流特性分析在LDO中，電阻分壓網絡將調整管輸出電壓反饋到誤差放大器輸入端，誤差放大器將輸入基準電壓和反饋電壓的差值放大并輸出到調整管柵極，從而通過控制調整管輸出電流穩定輸出電壓。電阻反饋網絡Ri和R2直接影響調整管的靜態電流、輸出電壓精度和噪聲等。Ri和R2較小時，調整管的靜態電流和功耗增加；1和R2較大時，輸出噪聲和芯片面積增大。同時，反饋電阻隨溫度等因素的漂移直接影響輸出電壓精度。

　　要使Mp1和Mn1晶體管工作在飽和區，輸入基準電壓Vefp和Vefn需要滿足：其中，V和Vthn分別是Mp1和Mn1的閾值電壓Vdp、Vp和Vdn、Vn分別是Mp1和Mn1的漏極電壓和源極電壓。由于電壓Vdp?IVI能低至地電壓GND其輸入基準V可以低至GND；然而，當Vep高于VP IVftpI時，晶體管Mp1會進入截止區。同樣，電壓Vdn+Vtn能高至電源電壓Vdi，其輸入基準Vrefn可以高至；然而當Vefn低于V.n+Vthn時，晶體管Mn1會進入截止區。因傳統誤差放大器的共模電壓輸入范圍限制了輸入基準Vrfn和Vrefp的范圍。

　　2.2交流特性分析所示的傳統LDO線性穩壓器中，結點A處的C和Rl會產生一個低頻極點尸1，同時節點B處誤差放大器的輸出阻抗R.和調整管柵極寄生電容CV引入另一個低頻極點P2.另外，負載電容C及其寄生電阻Resr會引入一個零點Zk所以，在單位增益帶寬內，至少有兩個極點和一個零點需要考慮，其零極點和直流增益可表達為：理論上，Z1零點可以抵消第一非主極點P2，使得在單位增益帶寬內只有一個主極點P1，但實際上并不能保證LDO穩定工作。調整管輸出阻抗Rds與負載電流成反比，跨導gn與負載電流的平方根成正比，因而極點P1與負載電流成正比，而直流增益A.與負載電流的平方根成反比。當負載電流增加時，主極點P1增加的速度快于直流增益A.減小的速度，即單位增益帶寬會隨負載電流的增加而增加。此時，一些中高頻的寄生極點就可能進入單位增益帶寬之內，導致系統相位裕度降低。另外，在很多情況下，輸出電容的等效串聯電阻Resr的值很難選取，且阻值隨溫度而變化。所以，在寬輸出負載電流的情況下，負載電容等效串聯電阻補嘗方法將不能保證系統穩定。

　　2.3瞬態特性分析當負載電流從0跳變到Imax時，輸出電容Co，t給負載供電，從而導致在輸出端產生一個電壓跳變量AFornax，跳變值由電阻反饋網絡送到誤差放大器輸入端，誤差放大器將輸入基準電壓和反饋電壓的差值放大并提供給調整管柵極，從而使調整管輸出電流作出相應變化，以滿足負載電流要求，比較終系統達到一個新的動態平衡點，即穩態，此時輸出電壓恢復到原有大小。在此過程中，輸出電壓的跳變量么卜和環路的響應時間么分別為：為了減小比較大輸出電壓跳變值和環路響應時間，常利用大負載電容CO，。然而，大負載電容會增大實際電路面積，不利于SOC設計。隨著電路工作速度和電流需求量的提高，當負載電流發生瞬態變化時，穩壓器保持輸出電壓穩定成為一個廣泛存在的問題。

　　3全反饋LDO設計與性能分析傳統LDO中存在的不足需要在不降低LDO其他性能的前提下克服。為此，本文提出一種新型結構的LDO線性穩壓器，如所示。它包括軌至軌誤差放大器、緩沖電路、PMOS調整管、全反饋網絡、跨多級雙密勒電容補償、負載。給出了全反饋LDO的核心電路，下面介紹全反饋LDO的具體設計及性能。

　　3.1軌至軌誤差放大器為了擴大輸入基準電壓和反饋電壓范圍，提高系統信噪比，誤差放大器共模電壓輸入范圍應該盡可能接近從GND到Vdd.PMOS對管和NMOS對管并聯作為輸入級，可以實現從GND到Vdd的共模輸入范圍6.中，M3和M4組成的NMOS差分輸入對可以滿足高至Vdd的輸入，M1和M2組成的PMOS差分輸入對可以滿足低至GND的輸入。

　　輸入共模電壓較低時，PMOS差分對工作；輸入電壓較高時，NMOS差分對工作；輸入電壓在中間時，兩對管子同時工作。因此，差分對管并聯輸入的誤差放大器可以實現共模電壓軌至軌輸入。

　　為了提高誤差放大器的增益和電源抑制比，減少誤差放大器引入的極點，提高系統穩定性，并提高輸出擺幅，誤差放大器采用軌至軌折疊式共源共柵結構。其中，軌至軌結構可以提高誤差放大器輸出擺幅；電流鏡晶體管M7、M8和M13、M14同時也是并聯輸入差分對的有源負載，使得輸出電阻較大，既提高了放大器的增益和電源抑制比，也減小了誤差放大器引入的極點數，并把誤差放大器與后級間極點推到了高頻；M10和M12實現了雙端變單端。3.2全反饋網絡為了提高LDO線性穩壓器輸出電壓精度，克服電阻反饋網絡引入的問題，本文提出一種新穎的全反饋網絡，取代電阻反饋網絡，如所示。在全反饋網絡中，NMOS晶體管M18用作電流源負載，Vb7為其提供柵極電壓。M18代替電阻網絡為調整管提供直流通路，可以為調整管提供穩定且小的靜態電流。輸出電壓直接由M18的漏極全反饋到誤差放大器輸入端，全反饋LDO輸出電壓滿足：于本系統中誤差放大器可以實現軌至軌輸入，從而保證Vrf和V/可以軌至軌輸入，所以Vo，t輸出電壓能實現GND到Vdd的寬輸出范圍。因為全反饋網絡用NMOS晶體管作負載，替代了電阻分壓網絡，不用分壓電阻網絡，可以為LDO系統節省較大的芯片面積，同時避免了輸出電阻給系統引入的噪聲。

　　電流源M18不像電阻會受溫度的較大影響，所以全反饋網絡可以提高LDO輸出電壓精度。

　　3.3穩定性分析在前面的討論中指出，所示的LDO有Pi和P2兩個低頻極點。在的全反饋LDO中，誤差放大器和調整管之間插入的緩沖電路包括源跟隨器M15，P2被分裂成分別位于節點B和C的兩個Rbf）由于Rbf很小，所以，P"2位于系統單位增益帶寬之外。在小信號分析中，CWr可以忽略。為了保證系統在寬負載電流范圍內穩定工作，系統采用跨多級雙密勒電容補償方式。如所示，兩個補償電容一端接到LDO輸出，另一端分別接到兩個折疊式共源共柵放大器的兩級之間，即對稱地接到軌至軌誤差放大器內部，兩個密勒補償電容均跨三級。為了分析系統的穩定性，給出全反饋LDO的小信號模型8，如所示。

　　根據系統開環傳輸函數得到的零極點進行分析，跨多級雙密勒補償電容CCi和C2產生的左半平面零OH和Wz抵消了非主極叫2和沖3，又因沖4大于單位增益帶寬GBWgm1ACciCC2），所以只剩下主極點W1在單位增益帶寬內。另外，W4隨負載電流而增大。所以，隨著負載電流的增大，系統相位裕度逐漸增大，系統也更穩定。

　　3.4瞬態響應分析可知，減小Ati，即減小整個環路的響應時間，可以降低比較大輸出電壓跳變值Avut，x.同時，由（8）式可知，增加誤差放大器的輸出電流Ir，能夠減小Ati.但是，在加入SRE電路后，電流Ir將不是一個恒定的值，而是由下式決定：流，x是相應的電流鏡像常數，其大小由M19、M20、M21和M22的寬長比決定：當負載電流很小時，調整管的柵極電壓不變，鏡像電流Iboost可以忽略不計。然而，當負載電流從0突變到比較大時，調整管的柵極電壓將會降低。由于M23和Mp管的柵源電壓相同，導致M23瞬間開兩次鏡像后，使流過M19的電流為xIfeost，從而加快對調整管柵極電容G-充電，使Mp迅速響應負載電流的變化，直至輸出電壓回到穩定值7.所以，在負載電流突變時，系統因加入了SRE電路而不再需要整個大環路來響應負載的變化，而是直接通過SRE電路這個小環路，即可使調整管快速響應負載電流的變化。這樣，使Ati減小，也導致比較大輸出電壓跳變值減小。

　　4仿真結果分析藝下用Cadence軟件進行特性仿真。在5V電源電壓，負載電容和其寄生電阻分別為1PF和0.5a負載電阻為50n的條件下，對輸入輸出電壓范圍進行仿真分析。所示為在輸入基準電壓從-1V連續線性變化到6V時LDO輸出電壓的DC響應結果。輸出電壓可以跟蹤基準電壓從0V線性變化到4.9V.仿真結果表明，LDO的軌至軌誤差放大器和全反饋網絡可以滿足輸入基準和輸出電壓從地電壓變化到電源電壓。

　　在以下條件下，對系統開環頻率響應進行仿真分析：電源電壓為5V，負載電容及其寄生電阻分別為1PF和0.5A輸入基準為直流2. 5V和交流1V的組合信號。所示為在負載電流分別為0. 1mA和300mA時系統的AC響應結果。在全部負載電流范圍內，單位增益帶寬內都只有一個極點，相位裕度均大于88系統具有高穩定性。

　　全反饋LDO的直流響應全反饋LDO的瞬態響應在以下條件下，對系統瞬態響應進行仿真分析：電源電壓為5V，負載電容及其寄生電阻分別為1PF和0.5A輸入基準電壓為3V.所示為負載電流從0mA跳變到50mA，?段時間后再跳變成0mA時系統的瞬態響應。當負載電流從0mA跳變到50mA時，系統的比較大輸出電壓跳變值和環路響應時間分別小于28mV和0.5Ps.系統更詳細的仿真結果列于表1.表1系統仿真結果參數數值負載電容比較大負載電流靜態電流壓差負載調整線性調整工藝5結論本文設計了一款寬輸入輸出范圍、高穩定性、瞬態響應速度快和低靜態電流的高性能LDO線性穩壓器。給出了基于軌至軌誤差放大器的全反饋新型結構，改善了傳統LDO的輸入輸出范圍、靜態電流和噪聲等特性；采用跨多級雙密勒電容補償，提高了系統穩定性；加入包含轉換速率加強（RE）電路的緩沖電路，加快了系統的瞬態響應速度。0.35PmCMOS工藝下的仿真結果表明：高精度輸出電壓跟蹤基準電壓變化范圍為GND~Va，靜態電流為20PA，0~ 300mA負載電流范圍內，開環電路相位裕度均大于88負載電流從0mA跳變到50mA時，系統的比較大輸出電壓跳變值和環路響應時間分別小