一種新穎的LDO頻率補(bǔ)償技術(shù)

1、第39卷第6期2009年12月微電子學(xué)MicroelectronicsVo l 39,N o.6Dec.2009收稿日期:2009 05 05;定稿日期:2009 07 24基金項(xiàng)目:江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(08K JB140010;徐州師范大學(xué)?？蒲谢鹳Y助項(xiàng)目(06XL B04一種新穎的LDO 頻率補(bǔ)償技術(shù)陳 斯1,惲廷華2(1.徐州師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,江蘇徐州221116; 2.智邁微電子科技(上海有限公司,上海200433摘 要: 通過對傳統(tǒng)LDO 頻率補(bǔ)償電路的零點(diǎn)、極點(diǎn)進(jìn)行分析,提出了一種新穎的頻率補(bǔ)償技術(shù)。在原有頻率補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上,增加一個電阻和電容以及一個

2、PM OS 管,構(gòu)成新的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一組零極點(diǎn),且零點(diǎn)在帶寬范圍內(nèi),極點(diǎn)在帶寬范圍外。仿真結(jié)果顯示,輸出電流為100mA 時,相位裕度為87 ;輸出電流為1 A 時,相位裕度為46 。電路設(shè)計(jì)基于T SM C 0.18 m CM OS 工藝,采用H spice 進(jìn)行仿真,電路工作電壓為1.8V 。關(guān)鍵詞: LDO;極點(diǎn);零點(diǎn);頻率補(bǔ)償中圖分類號:T N43文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1004 3365(200906 0769 04A N ovel Frequency Compensation T echnique for LDOCH EN Si 1,YUN Tinghua 2(1.Co

3、lleg e of Ph ysic s and Electronic En gineering ,X u zh ou N or mal Unive rsity ,X uz hou,Jiang su 221116,P.R.China;2.W iscomm M icr osystems Inc ,.Sh anghai 200433,P.R.Ch inaAbstract: By analy zing the po le zer o behavio r of a traditional frequency compensat ion cir cuit fo r L DO ,a noveltechniq

4、ue w as presented.A no vel frequency compensation circuit w as realized by adding a resisto r,a capacito r and a PM O S transistor to the co nv entional cir cuit.T he no vel cir cuit g enerated a set of zer os and po les,and the zer o posi tion was w ithin U GB and the po le position was o ut of U G

5、B.Simulation r esults sho wed that the circuit had phase marg ins o f 87 and 46 fo r o utput cur rent s of 100mA and 1 A,r espectiv ely.T he circuit was desig ned based on T SM C s 0.18 m CM OS process and simulated using Hspice with 1.8V po wer supply.Key words: L DO;Po le;Zero;Fr equency co mpensa

6、tion EEACC :25701 引言低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO,Low Dropo ut Regu lator已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中,如蜂窩電話、筆記本電腦、PDA 等個人數(shù)碼產(chǎn)品。在LDO 的設(shè)計(jì)中,電源的穩(wěn)定性和精度直接影響到便攜式產(chǎn)品的性能。特別是穩(wěn)定性問題,一直是LDO 設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于LDO 的輸出阻抗比較高,受負(fù)載的影響較大,極容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的頻率補(bǔ)償利用輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR,Equiv alent Series Resistor 來改善其穩(wěn)定性1 4。這種方法對輸出電容有很高的要求,特別是ESR,若處理不當(dāng),會提高電源管理方案的成本。本文針對

7、傳統(tǒng)LDO 頻率補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)、零點(diǎn)進(jìn)行分析,通過修改頻率補(bǔ)償電路,在帶寬范圍內(nèi)引入一個零點(diǎn),提出了一種新穎的LDO 頻率補(bǔ)償技術(shù)。文章第二節(jié)分析了傳統(tǒng)的LDO 頻率補(bǔ)償方法;第三節(jié)介紹新的頻率補(bǔ)償技術(shù);第四節(jié)和第五節(jié)分別給出電路的仿真結(jié)果、版圖及結(jié)論。2 傳統(tǒng)的L DO 頻率補(bǔ)償圖1所示為采用傳統(tǒng)頻率補(bǔ)償?shù)腖DO 電路結(jié)構(gòu)。利用輸出電容的等效串聯(lián)電阻R ESR 來改善其穩(wěn)定性。M 1M 5組成誤差放大器,M 6為PM OS功率管。當(dāng)功率管M 6提供一個負(fù)壓增益時,從R 1、R 2組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)出來的反饋信號輸入到誤差放大器的正向輸入端。 圖1 采用傳統(tǒng)頻率補(bǔ)償?shù)腖 DOFig.1 T radi

8、tio nal frequency compensated LDO在圖1中,誤差放大器的輸出端,即功率管的柵極A 點(diǎn)及輸出端B 點(diǎn),分別產(chǎn)生一個極點(diǎn)。A 點(diǎn)是由PM OS 功率管M 6帶來的寄生極點(diǎn)P pass ,B 點(diǎn)是輸出極點(diǎn)P out ;同時,由C L 的寄生參數(shù)R ES R 引入一個零點(diǎn)Z ESR 。它們的表達(dá)式如下5 7:P pass =g ds 2+g ds 42 C A (1 P out =12 R out C L(2 Z ES R =12 R ESR C L(3其中,C A =C db 4+C d b 2+C gs 6+(1+|A |C gd 6,A = g m 6R out

9、,R out =r ds 6|(R 1+R 2|R L 。 從(1式可以看出,極點(diǎn)P pass 和負(fù)載電流有一定關(guān)系。(2式中,極點(diǎn)P out 的位置與I out 的關(guān)系更加明顯,這是因?yàn)樨?fù)載電流的大小直接影響r ds 6的值。在電流變化時,P pass 的變化方向與P out 相反,而且P out 的變化較P pass 大得多。(3式顯示,零點(diǎn)Z ES R 位置是固定的,與負(fù)載的大小無關(guān)。由于圖1所示的誤差放大器是單級放大,環(huán)路增益比較低。此外,電路消耗的電流較小,導(dǎo)致A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的輸出阻抗(小電流的情況很大,極點(diǎn)的位置比較靠前,因此帶寬比較窄。如果R ESR 比較大,那么(3式的零點(diǎn)完全

10、可以位于兩個極點(diǎn)的中間,能起到很好的補(bǔ)償作用。但是,在目前LDO 的應(yīng)用中,對R ESR 的范圍要求很寬,這就要求設(shè)計(jì)者需要考慮在R ESR 很小時環(huán)路的穩(wěn)定性。當(dāng)R ESR 很小時,它所產(chǎn)生的補(bǔ)償零點(diǎn)遠(yuǎn)在帶寬之外,所以采用傳統(tǒng)的等效串聯(lián)電阻R ES R 的補(bǔ)償方法很難起到補(bǔ)償?shù)淖饔?。如圖2所示,當(dāng)LDO 輸出100m A 時,在帶寬范圍內(nèi)有兩個極點(diǎn),相位裕度僅為20 左右。所以,當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻R ES R 較小時,整個LDO 環(huán)路不穩(wěn)定,采用傳統(tǒng)等效串聯(lián)電阻R ESR 進(jìn)行頻率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ巡荒軡M足設(shè)計(jì)要求。圖2 傳統(tǒng)頻率補(bǔ)償零極點(diǎn)F ig.2 Z ero and po le distribu

11、tio n o f traditionalf requency co mpensated L DO3 新的頻率補(bǔ)償技術(shù)傳統(tǒng)的LDO 頻率補(bǔ)償通過引入等效串聯(lián)電阻R ESR 產(chǎn)生一個零點(diǎn)來進(jìn)行頻率補(bǔ)償。如前指出,當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻R ES R 較小時,它所產(chǎn)生的補(bǔ)償零點(diǎn)遠(yuǎn)在帶寬范圍之外,有可能會引起環(huán)路不穩(wěn)定,達(dá)不到補(bǔ)償?shù)淖饔?。如圖3所示,如果能夠引入一組零極點(diǎn),并且零點(diǎn)落在帶寬范圍之內(nèi),極點(diǎn)在帶寬范圍之外,那么在帶寬范圍內(nèi),此零點(diǎn)將貢獻(xiàn)+90 的相移,可以得到較大的相位裕度,起到很好的補(bǔ)償作用。圖3 引入一組零極點(diǎn)示意圖Fig.3 Intro duction of a set o f zer os

12、 and poles圖4是在傳統(tǒng)頻率補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上,通過增加電容C 1、電阻R 3以及PM OS 管M 7,形成環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。其中,PM OS 管M7的寬長比為22/1。LDO 通過調(diào)整功率管M6的柵極電壓,使反饋電壓V FB 與參考電壓V REF 相等,因此,輸出電壓的表達(dá)式為:V OU T =V REF !1+R 1R 2(4此電路的小信號模型如圖5所示7,8。圖中,g ma 、g m 6、g m 7分別為誤差放大器、功率管M6、PM OS 管M 7的跨導(dǎo);R oa 為誤差放大器等效輸出阻抗;C par 為功率管M 6及PM OS 管M 7的寄生電容;r ds 6、r d s 7分別為

13、功率管M6、PM OS 管M 7的內(nèi)阻。由圖5的小信號模型,可得電路的開環(huán)增益9:V FB!V REF=A V =g ma R oa g m 7+g m 6Z 1+s R oa C par !R 2R 1+R 2(5式中,Z 為從輸出端V OUT 看進(jìn)去的阻抗,其表達(dá) 式為:Z =R 1!R 3R 1+R 3+1s C 1+R 3!1s C 1R 1+R 3+1s C 1+rd s 7R 3!1s C 1R 1+R 3+1s C 1+R 2(R L R ds 6R ESR +1s C L(6從(6式可以得到一組新的零極點(diǎn),其表達(dá)式為: Z 1#12 R 1+R 3!R 2+r ds 7C 1(

14、7P 1#12 R 1+R 3R 2+r ds 7C 1(8從(7、(8式可以看出,所增加的極點(diǎn)位置遠(yuǎn)在零點(diǎn)之后,選擇合適的阻值,就可以使零點(diǎn)位置在帶寬范圍之內(nèi),極點(diǎn)位置在帶寬范圍之外。分析(7式,零點(diǎn)的位置和R 3的關(guān)系非常密切,當(dāng)R 3增加時,零點(diǎn)的位置會大大提前。但是,為了保證在滿負(fù)載時M 7也工作在飽和區(qū)(如果工作在線性區(qū),將大大降低LDO 的PSRR,R 3的值就有一個上限。在這個上限的范圍內(nèi),可以隨便調(diào)節(jié)R 3的值,以完成環(huán)路的穩(wěn)定性補(bǔ)償。同時,電容C 1的改變也會對零點(diǎn)的位置產(chǎn)生影響。另外,M7的寬長比W /L 的大小也會明顯影響零點(diǎn)的位置?；蛘哒f,M7的輸出阻抗r ds 7也會

15、影響零點(diǎn)的位置。4 仿真結(jié)果與電路版圖電路設(shè)計(jì)采用TSM C 0.18 m CM OS 工藝,仿真軟件采用H spice,溫度為常溫,工作電壓為1.8V 。圖6是采用新的頻率補(bǔ)償方法的LDO 零極點(diǎn)分布(輸出電流分別為100mA 和1 A。從圖6(a可以看出,在帶寬范圍內(nèi),主極點(diǎn)為P p ass ,次極點(diǎn)為P out ,補(bǔ)償零點(diǎn) Z 1在次極點(diǎn)之后,新增極點(diǎn)P 1在帶寬范圍之外。當(dāng)R 3從17k 、C 1從5100pF變化時,Z 1會明顯提前。當(dāng)R 3=7k 、C 1=20pF 時,相位裕度可達(dá)到87 。圖6(b對應(yīng)的是輸出電流為1 A 時的零極點(diǎn)分布。從圖6(b可以看出,負(fù)載電流變小時,在帶

16、寬范圍內(nèi)依然有兩個極點(diǎn)。受負(fù)載電流變小的影響,P out 向低頻端移動,升為主極點(diǎn);原極點(diǎn)P pass 的位置變化不大,降為次極點(diǎn)。隨著R 3、C 1的增大,補(bǔ)償零點(diǎn)Z 1向前移至帶寬范圍內(nèi)。當(dāng)R3=7k、C1=20pF時,相位裕度超過45 。當(dāng)繼續(xù)增大電容和電阻的阻值時,補(bǔ)償零點(diǎn)位置繼續(xù)向左移動,相位裕度更高。圖7為采用新的頻率補(bǔ)償?shù)腖DO 電路版圖。圖7 L DO電路版圖F ig.7 La yout of t he new L DO circuit5 結(jié)論基于傳統(tǒng)LDO頻率補(bǔ)償電路,本文提出了一種新穎的LDO頻率補(bǔ)償技術(shù)。當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻R ES R較小時,產(chǎn)生的補(bǔ)償零點(diǎn)遠(yuǎn)在帶寬范圍之外,傳

17、統(tǒng)的補(bǔ)償方法起不到有效的補(bǔ)償作用。新的補(bǔ)償方法通過產(chǎn)生一組零極點(diǎn),并使零點(diǎn)落在帶寬范圍內(nèi),極點(diǎn)在帶寬范圍外,來改善傳統(tǒng)的LDO頻率補(bǔ)償電路。仿真結(jié)果顯示,無論LDO工作在滿載還是空載,新的補(bǔ)償電路都能很好地起到頻率補(bǔ)償?shù)淖饔?使電路穩(wěn)定工作。參考文獻(xiàn):1 RIN CON M O RA G A.Active capacito r multiplier inM iller co mpensated cir cuitsJ.IEEE J So l Sta Circ,2000,35(1:26 32.2 GU P T A V,R INCO N M ORA G A.A low dr opout,CM OS

18、r eg ulato r w ith high PSR o ver w ideband fr equenciesC/IEEE Int Symp Circ and Sys.T o ky o,Japan.2005:4245 4248.3 PA N H I,CH EN G C H,CH EN C L.A CM O S lowdro po ut reg ulator stable with any lo ad capacitorC/IEEE Reg ion10Conf.Chiang M ai,T hailand.2004:266 269.4 L AU S K,LEU N G K N,M O K P K.Analy sis o f lowdro po ut regulator topolog ies fo r low voltage r eg ulationJ.I EEE Int Conf Elec Dev and Sol Sta Cir c.2003:378 382.5 CH A V A,CH A IT A N Y A K.SERD IJN J S M.A frequency co mpensation scheme fo r LD O voltag e reg ulato rsJ.IEEE T rans Circ