一种应用于LDO的宽范围稳压电路-AET-电子技术应用

一种应用于LDO的宽范围稳压电路

2019年电子技术应用第3期

周志兴1，2，来强涛1，郭桂良1，姜宇1，郭江飞1，王成龙3

1.中国科学院微电子研究所，北京100029； 2.中国科学院大学电子学院，北京100049；3.中国科学院大学微电子学院，北京100029

摘要： 在LDO的设计中，为了提高输入电源电压上限，一般采用大尺寸的晶体管，但这样会增加电路的面积。为了解决这个问题，采用改进的威尔逊电流镜结构设计了一种宽范围稳压电路，为LDO各个子模块提供电源和偏置。仿真结果表明，稳压电路可以将3.5 V～6 V外部供电电源电压转换为1.8 V内部电压，使得LDO核心电路在高输入电源电压下依然可以使用0.18 μm的MOS管，降低了芯片面积，并且可以给LDO模拟模块的设计带来便利。

关键词： LDO 线性稳压器宽范围稳压电路

中图分类号： TN432
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182001
中文引用格式： 周志兴，来强涛，郭桂良，等. 一种应用于LDO的宽范围稳压电路[J].电子技术应用，2019，45(3)：28-31.
英文引用格式： Zhou Zhixing，Lai Qiangtao，Guo Guiliang，et al. A wide range voltage stabilizing circuit for LDO regulator[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：28-31.

A wide range voltage stabilizing circuit for LDO regulator

Zhou Zhixing1，2，Lai Qiangtao1，Guo Guiliang1，Jiang Yu1，Guo Jiangfei1，Wang Chenglong3

1.Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China； 2.School of Electronics，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.School of Microelectronics，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

Abstract： Large size and thick oxide transistors are usually used in the design of Low Dropout Linear Regulator(LDO) in order to increase the upper limited voltage of input supply voltage，but this will increase the area of the circuit. In order to solve this problem, this paper proposed a wide range voltage stabilizing circuit based on an improved Wilson current mirror structure, which provides power and bias for LDO. The simulation results show that the external supply voltage range from 3.5 V to 6 V can be converted to 1.8 V supply voltage, so that the LDO core circuit can still use 0.18 μm MOS transistors under the high input supply voltage, which can reduce the chip area. And it can bring convenience to the design of LDO analog module.

Key words : LDO；linear regulator；wide range voltage stabilizing circuit

0 引言

在以往的LDO设计中^[1-3]，运放的偏置电路通常采用威尔逊(Wilson)电流镜或者共源共栅电流镜的结构，运放的电源直接由外部输入电源来提供，如图1所示。

图1所示的运放偏置是在Wilson电流镜的基础上，利用了自举偏置技术提供一个对电源不敏感的电流，如图1虚线框电路所示。

自偏置电流镜的输出电流可用式(1)来确定：

自偏置Wilson电流镜的PSR可用小信号模型求解^[4]，可表示为：

一般情况下，输出电流的PSR可以达到160 dB以上，所以I_b基本不随电源电压而变化。但是这种电路的缺点是采用外部输入电源作为运放的供电电源。为了获得更高的性能、更低的功耗，在摩尔定律的驱动下，晶体管的特征逐渐减小。当晶体管尺寸为0.18 μm时，V_GS、V_GD、V_SB、V_DB等能承受的电压分别只有1.8 V。然而在混合信号系统中，为了满足不同模块的正常工作，电源电压不能太低，因为一些模拟模块可能需要较大的电源电压，比如传感器前端信号处理电路。因此电路设计者在设计LDO以及DC-DC稳压器中的运放时需要在高输入电源电压和晶体管尺寸之间做出权衡。为了解决这个矛盾，本文设计一个稳压电路，将外部电源电压转换为一个稳定在1.8 V左右的电源作为LDO核心模块的电源，使得LDO核心电路可以使用0.18 μm的小尺寸MOS管，显著降低芯片面积。该电路利用改进的Wilson自偏置电路以及电流负反馈技术来实现，如图2所示。

本文设计的稳压电路可以将3.5～6 V的外部输入的高电源电压转换为1.8 V左右的电源电压。这个稳压电路给LDO核心电路模块的设计带来了一定的便利。比如在设计LDO中的误差放大器或带隙基准的运放时，由于该稳压电路给运放提供的电源和偏置基本不受外部电源变化的影响，运放只需要在电源电压为1.8 V时满足设计指标就可以，同时可以降低对运放电源抑制比的要求。

1 稳压电路的工作原理

本文提出的稳压电路可用图3所示的电路来简化分析，其中I_b由改进的Wilson自偏置电流镜产生。I_fb是通过电流负反馈来产生一个稳定的电流。

改进的Wilson自偏置电流镜的电路图如图2中虚线方框中的电路所示。其输出电流I_b的求解与Wilson自偏置电流镜输出电流的求解相同，即用式(1)来表示。但是由于改进的Wilson电流镜采用了嵌套结构，改进后的Wilson电流镜的输出电流PSR是传统Wilson电流镜的g_mr_o倍。可以认为改进的Wilson电流镜的电流基本不随电源电压变化。Wilson的输出电流一般作为运放等电路的偏置电路。由于图1中的电源电压为外部高电源电压，其偏置电压为M3的栅极电压V_G3，这个电压会比较高。改进的Wilson电流镜通过Wilson电流镜的嵌套，其偏置电压为M5的栅极电压V_G5，V_G5比V_G3小一个V_GS+V_dsat。

图3中的I_fb是通过电流负反馈来保证它基本不会随输出负载而变化。当负载电流I_Load变大时，流过M1和M2的总电流将减少，则反馈电流I_fb将变小，由于I_b基本不变，则流过M3的电流将变大，通过镜像电流镜M3、M4的作用，流过M4的电流也将变大，用来补偿反馈电流I_fb的变化。当负载电流I_Load变小时，其原理相同。I_fb的这个特性使得输出的V_DDL基本不会随负载而变化，这个V_DDL为LDO的核心模块提供一个稳定的电压源。M1、M2的宽长比之比决定了除了负载外有多少电流用于反馈，M2主要用于泄放多余的电流。假设M4、M3的宽长比之比为k₁，M1、M2的宽长比之比为k₂。那么I_fb可表示为：

在宽长比以及I_fb确定的情况下，V_DDL与V_b成线性关系，可以通过调节V_b得到所需要的电源电压值，但V_b不能太大也不能太小，太小时M1将处于线性区，当V_b太大时，由式（6）可知，V_DDL变得很大，违背了降压的初衷。在本设计中，V_b可选择的范围为0.8～1.5 V，当选择0.8 V时，V_DDL=1.8 V。

2 稳压电路的仿真结果分析

该稳压电路采用X-FAB 0.18 μm CMOS工艺，工艺库有两种不同特征尺寸的晶体管分别为0.18 μm与0.35 μm。本文中的稳压电路采用特征尺寸为0.35 μm的晶体管，晶体管的栅源、栅漏能承受3.6 V以下的电压。

当负载电流I_Load从0 μA逐渐增加到20 μA时，反馈电流I_fb减小。但I_fb基本不随输入电源电压V_DDH变化，如图4所示。

由式(4)可知，反馈电流I_fb的变化是负载电流I_Load变化的1/k₁。并且，由式(6)可知，I_fb对V_DDL影响要经过开方处理，所以V_DDL基本不受负载电流I_Load的影响，如图5所示。在电源电压大于3.5 V时，当负载电流I_Load从0 μA逐渐增加到20 μA时，V_DDL重合在一起，说明V_DDL不随负载电流I_Load变化；同时V_DDL在1.8 V左右，说明V_DDL不随电源电压V_DDH而变化。这个电压可作为LDO或DC-DC稳压器中运放的电源电压，也可以作为数字电路的电源来使用。

该电路的线性调整率如图6所示，当V_DDH从4 V跳到5 V时，输出电压V_DDL从1.798 5 V跳到1.8 V，线性调整率为1.5 mV/V，跳变电压为2 mV。稳压电路的负载电流为LDO中误差放大器和Bandgap中放大器消耗的电流。正常工作时，负载电流基本不变。所以该稳压电路对负载调整率要求不是很严格。

为了让V_DDL的电压值能够适应多种应用场合，可以通过调节V_b来实现这一功能，根据式(6)可知，V_DDL随V_b线性变化，其仿真结果如图7所示，当V_b从0.8 V逐渐增加到1.5 V时，V_DDL从1.8 V变化到2.5 V。而且可以看出，当输入电源电压大于3.5 V时，V_DDL不随V_DDH而变化。