LDO线性稳压器具有噪声低、功耗低和结构简单等突出优点，广泛应用于移动通信终端、笔记本电脑等便携式电子产品中。当输入电压在一定范围内，在允许的负载范围下，LDO能够保证输出电压稳定，提高电池寿命111.电子产品的高速发展，对LDO的诸多性能提出了越来越高的要求，如宽负载电流范围下的稳定性、输出电压范围和精度、瞬态响应时间和静态电流等。

　　本文设计了一种全反馈模式的高稳定性LDO线性稳压器，用以提高LDO系统稳定性、瞬态响应时间、输出电压范围和精度，并减小静态电流、噪声和芯片面积。

　　2传统LDO性能分析所示为传统的LDO拓扑结构21，主要由误差放大器OPA、调整管Mp、电阻反馈网络R1和R2组成。其中，Vrf是输入基准电压，Rl、和Resr分别是负载电阻、负载电容和寄生电阻Gd、Gar、Rds和Ro是2.1直流特性分析在LDO中，电阻分压网络将调整管输出电压反馈到误差放大器输入端，误差放大器将输入基准电压和反馈电压的差值放大并输出到调整管栅极，从而通过控制调整管输出电流稳定输出电压。电阻反馈网络Ri和R2直接影响调整管的静态电流、输出电压精度和噪声等。Ri和R2较小时，调整管的静态电流和功耗增加；1和R2较大时，输出噪声和芯片面积增大。同时，反馈电阻随温度等因素的漂移直接影响输出电压精度。

　　要使Mp1和Mn1晶体管工作在饱和区，输入基准电压Vefp和Vefn需要满足：其中，V和Vthn分别是Mp1和Mn1的阈值电压Vdp、Vp和Vdn、Vn分别是Mp1和Mn1的漏极电压和源极电压。由于电压Vdp?IVI能低至地电压GND其输入基准V可以低至GND；然而，当Vep高于VP IVftpI时，晶体管Mp1会进入截止区。同样，电压Vdn+Vtn能高至电源电压Vdi，其输入基准Vrefn可以高至；然而当Vefn低于V.n+Vthn时，晶体管Mn1会进入截止区。因传统误差放大器的共模电压输入范围限制了输入基准Vrfn和Vrefp的范围。

　　2.2交流特性分析所示的传统LDO线性稳压器中，结点A处的C和Rl会产生一个低频极点尸1，同时节点B处误差放大器的输出阻抗R.和调整管栅极寄生电容CV引入另一个低频极点P2.另外，负载电容C及其寄生电阻Resr会引入一个零点Zk所以，在单位增益带宽内，至少有两个极点和一个零点需要考虑，其零极点和直流增益可表达为：理论上，Z1零点可以抵消第一非主极点P2，使得在单位增益带宽内只有一个主极点P1，但实际上并不能保证LDO稳定工作。调整管输出阻抗Rds与负载电流成反比，跨导gn与负载电流的平方根成正比，因而极点P1与负载电流成正比，而直流增益A.与负载电流的平方根成反比。当负载电流增加时，主极点P1增加的速度快于直流增益A.减小的速度，即单位增益带宽会随负载电流的增加而增加。此时，一些中高频的寄生极点就可能进入单位增益带宽之内，导致系统相位裕度降低。另外，在很多情况下，输出电容的等效串联电阻Resr的值很难选取，且阻值随温度而变化。所以，在宽输出负载电流的情况下，负载电容等效串联电阻补尝方法将不能保证系统稳定。

　　2.3瞬态特性分析当负载电流从0跳变到Imax时，输出电容Co，t给负载供电，从而导致在输出端产生一个电压跳变量AFornax，跳变值由电阻反馈网络送到误差放大器输入端，误差放大器将输入基准电压和反馈电压的差值放大并提供给调整管栅极，从而使调整管输出电流作出相应变化，以满足负载电流要求，比较终系统达到一个新的动态平衡点，即稳态，此时输出电压恢复到原有大小。在此过程中，输出电压的跳变量么卜和环路的响应时间么分别为：为了减小比较大输出电压跳变值和环路响应时间，常利用大负载电容CO，。然而，大负载电容会增大实际电路面积，不利于SOC设计。随着电路工作速度和电流需求量的提高，当负载电流发生瞬态变化时，稳压器保持输出电压稳定成为一个广泛存在的问题。

　　3全反馈LDO设计与性能分析传统LDO中存在的不足需要在不降低LDO其他性能的前提下克服。为此，本文提出一种新型结构的LDO线性稳压器，如所示。它包括轨至轨误差放大器、缓冲电路、PMOS调整管、全反馈网络、跨多级双密勒电容补偿、负载。给出了全反馈LDO的核心电路，下面介绍全反馈LDO的具体设计及性能。

　　3.1轨至轨误差放大器为了扩大输入基准电压和反馈电压范围，提高系统信噪比，误差放大器共模电压输入范围应该尽可能接近从GND到Vdd.PMOS对管和NMOS对管并联作为输入级，可以实现从GND到Vdd的共模输入范围6.中，M3和M4组成的NMOS差分输入对可以满足高至Vdd的输入，M1和M2组成的PMOS差分输入对可以满足低至GND的输入。

　　输入共模电压较低时，PMOS差分对工作；输入电压较高时，NMOS差分对工作；输入电压在中间时，两对管子同时工作。因此，差分对管并联输入的误差放大器可以实现共模电压轨至轨输入。

　　为了提高误差放大器的增益和电源抑制比，减少误差放大器引入的极点，提高系统稳定性，并提高输出摆幅，误差放大器采用轨至轨折叠式共源共栅结构。其中，轨至轨结构可以提高误差放大器输出摆幅；电流镜晶体管M7、M8和M13、M14同时也是并联输入差分对的有源负载，使得输出电阻较大，既提高了放大器的增益和电源抑制比，也减小了误差放大器引入的极点数，并把误差放大器与后级间极点推到了高频；M10和M12实现了双端变单端。3.2全反馈网络为了提高LDO线性稳压器输出电压精度，克服电阻反馈网络引入的问题，本文提出一种新颖的全反馈网络，取代电阻反馈网络，如所示。在全反馈网络中，NMOS晶体管M18用作电流源负载，Vb7为其提供栅极电压。M18代替电阻网络为调整管提供直流通路，可以为调整管提供稳定且小的静态电流。输出电压直接由M18的漏极全反馈到误差放大器输入端，全反馈LDO输出电压满足：于本系统中误差放大器可以实现轨至轨输入，从而保证Vrf和V/可以轨至轨输入，所以Vo，t输出电压能实现GND到Vdd的宽输出范围。因为全反馈网络用NMOS晶体管作负载，替代了电阻分压网络，不用分压电阻网络，可以为LDO系统节省较大的芯片面积，同时避免了输出电阻给系统引入的噪声。

　　电流源M18不像电阻会受温度的较大影响，所以全反馈网络可以提高LDO输出电压精度。

　　3.3稳定性分析在前面的讨论中指出，所示的LDO有Pi和P2两个低频极点。在的全反馈LDO中，误差放大器和调整管之间插入的缓冲电路包括源跟随器M15，P2被分裂成分别位于节点B和C的两个Rbf）由于Rbf很小，所以，P"2位于系统单位增益带宽之外。在小信号分析中，CWr可以忽略。为了保证系统在宽负载电流范围内稳定工作，系统采用跨多级双密勒电容补偿方式。如所示，两个补偿电容一端接到LDO输出，另一端分别接到两个折叠式共源共栅放大器的两级之间，即对称地接到轨至轨误差放大器内部，两个密勒补偿电容均跨三级。为了分析系统的稳定性，给出全反馈LDO的小信号模型8，如所示。

　　根据系统开环传输函数得到的零极点进行分析，跨多级双密勒补偿电容CCi和C2产生的左半平面零OH和Wz抵消了非主极叫2和冲3，又因冲4大于单位增益带宽GBWgm1ACciCC2），所以只剩下主极点W1在单位增益带宽内。另外，W4随负载电流而增大。所以，随着负载电流的增大，系统相位裕度逐渐增大，系统也更稳定。

　　3.4瞬态响应分析可知，减小Ati，即减小整个环路的响应时间，可以降低比较大输出电压跳变值Avut，x.同时，由（8）式可知，增加误差放大器的输出电流Ir，能够减小Ati.但是，在加入SRE电路后，电流Ir将不是一个恒定的值，而是由下式决定：流，x是相应的电流镜像常数，其大小由M19、M20、M21和M22的宽长比决定：当负载电流很小时，调整管的栅极电压不变，镜像电流Iboost可以忽略不计。然而，当负载电流从0突变到比较大时，调整管的栅极电压将会降低。由于M23和Mp管的栅源电压相同，导致M23瞬间开两次镜像后，使流过M19的电流为xIfeost，从而加快对调整管栅极电容G-充电，使Mp迅速响应负载电流的变化，直至输出电压回到稳定值7.所以，在负载电流突变时，系统因加入了SRE电路而不再需要整个大环路来响应负载的变化，而是直接通过SRE电路这个小环路，即可使调整管快速响应负载电流的变化。这样，使Ati减小，也导致比较大输出电压跳变值减小。

　　4仿真结果分析艺下用Cadence软件进行特性仿真。在5V电源电压，负载电容和其寄生电阻分别为1PF和0.5a负载电阻为50n的条件下，对输入输出电压范围进行仿真分析。所示为在输入基准电压从-1V连续线性变化到6V时LDO输出电压的DC响应结果。输出电压可以跟踪基准电压从0V线性变化到4.9V.仿真结果表明，LDO的轨至轨误差放大器和全反馈网络可以满足输入基准和输出电压从地电压变化到电源电压。

　　在以下条件下，对系统开环频率响应进行仿真分析：电源电压为5V，负载电容及其寄生电阻分别为1PF和0.5A输入基准为直流2. 5V和交流1V的组合信号。所示为在负载电流分别为0. 1mA和300mA时系统的AC响应结果。在全部负载电流范围内，单位增益带宽内都只有一个极点，相位裕度均大于88系统具有高稳定性。

　　全反馈LDO的直流响应全反馈LDO的瞬态响应在以下条件下，对系统瞬态响应进行仿真分析：电源电压为5V，负载电容及其寄生电阻分别为1PF和0.5A输入基准电压为3V.所示为负载电流从0mA跳变到50mA，?段时间后再跳变成0mA时系统的瞬态响应。当负载电流从0mA跳变到50mA时，系统的比较大输出电压跳变值和环路响应时间分别小于28mV和0.5Ps.系统更详细的仿真结果列于表1.表1系统仿真结果参数数值负载电容比较大负载电流静态电流压差负载调整线性调整工艺5结论本文设计了一款宽输入输出范围、高稳定性、瞬态响应速度快和低静态电流的高性能LDO线性稳压器。给出了基于轨至轨误差放大器的全反馈新型结构，改善了传统LDO的输入输出范围、静态电流和噪声等特性；采用跨多级双密勒电容补偿，提高了系统稳定性；加入包含转换速率加强（RE）电路的缓冲电路，加快了系统的瞬态响应速度。0.35PmCMOS工艺下的仿真结果表明：高精度输出电压跟踪基准电压变化范围为GND~Va，静态电流为20PA，0~ 300mA负载电流范围内，开环电路相位裕度均大于88负载电流从0mA跳变到50mA时，系统的比较大输出电压跳变值和环路响应时间分别小