一种基于跨导增强技术的无电容器低压差稳压器，适用于低压环境，具有高增益特性

《Microelectronics Journal》：A transconductance-enhanced bulk-driven capacitor-less low-dropout regulator with high gain for low-voltage operation

　　摘要
本文提出了一种无电容低 dropout 调节器（CL-LDO），具有低电压输入和高环路增益特性，静态电流仅为 12μA。它适用于低电压 SoC（系统-on-chip）。误差放大器采用了跨导增强型体驱动（TEBD）技术，在低电压输入下实现了出色的环路增益。单位增益反馈网络（Λ=1）进一步优化了电路参数。超源跟随器结构提升了瞬态响应性能。该调节器采用 SMIC 180 nm CMOS 工艺制造，核心面积为 0.031mm2。实验结果表明：线性调节精度为 0.051mV/V，负载调节精度为 0.36mV/mA，阶跃响应时间为 100 ns，在 50 mA 负载变化时输出电压变化为 71 mV。所提出的 CL-LDO 的综合性能指标（FOM）为 0.20，证明了所采用技术的有效性。

引言
由于低噪声和低功耗等优点，低 dropout 调节器（LDO）在 SoC 的关键电源管理模块中得到广泛应用 [1]、[2]。其输出噪声、瞬态响应和 dropout 效率直接影响整体电源供应质量，因此成为低功耗电源管理单元（PMU）设计中的核心优化目标 [3]、[4]。
在设计低 dropout 调节器时，高环路增益对于实现精确的输出电压、良好的负载/线性调节以及高电源抑制比（PSR）等关键性能指标至关重要 [5]。然而，在低输入电压条件下，要获得足够高的环路增益通常需要额外的电路技术。近年来，针对低电压应用的高性能 LDO 设计已成为研究热点。参考文献 [5] 提出了一种能够将 1V 输入电压转换为 0.85V 至 0.5V 输出电压的 LDO。该调节器使用对称运算跨导放大器作为误差放大器，并通过电流分配技术来提升增益并改善闭环带宽。不过，这种架构依赖于一个较大的片外电容，这在高度集成的应用中并不理想。参考文献 [6] 使用负电荷泵作为控制器的ground 端子，为误差放大器和功率晶体管提供了更大的电压裕量，从而在有限的供电电压下实现高精度、高效率的调节。然而，电荷泵的引入会对输出纹波和噪声产生不利影响。参考文献 [7] 采用三阶放大器结构来提高环路增益，并保持 LDO 在低输入电压下的输出调节性能，但其频率补偿结构相对复杂。传统的门驱动 LDO 电路受到 MOS 晶体管阈值电压和电压裕量的限制，难以在低供电电压下同时实现宽输出范围和高环路增益，从而限制了其在低电压场景中的适用性 [8]、[9]、[10]、[11]。为了在低电压条件下实现宽电压范围操作，研究人员经常采用体驱动电路来缓解由于输入电压范围减小带来的设计挑战 [12]。参考文献 [13] 提出了一种基于差分反相器电压跟随器的轨到轨缓冲器，实现了输入和输出电压之间的零偏移，并采用门和体结合驱动方式控制输出器件。作为核心模块，该缓冲器使 LDO 能在低于 1V 的供电电压下工作，但低供电电压会导致负载性能下降。参考文献 [14] 提出了一种基于双轴驱动功率晶体管（BDP）技术的自适应偏置电流环（ABCL），有效降低了功率晶体管的高阈值电压，并实现了低至 0.8V 的输入电压，尽管存在最小负载电流的限制。参考文献 [15] 在功率 PMOS 晶体管的体端引入了额外的误差放大器（EA-b）来调节体电压，从而降低了阈值电压并提高了驱动能力和瞬态响应。然而，随着温度升高或工艺变更，源-体 PN 结可能会发生正向偏置，导致较大的衬底漏电流。由于体驱动晶体管的跨导（Γ_mb）天生小于门驱动晶体管的跨导（Γ_m），因此体调制技术的应用会导致环路增益显著降低。这一固有缺点为高精度 LDO 的设计带来了新的技术挑战。
为了在低电压输入条件下保持高环路增益，本文提出了一种跨导增强型体驱动（TEBD）技术。通过使输入级晶体管工作在弱反相区，采用电流分配辅助差分对来增强从输入端到体驱动输入晶体管栅极的电压增益。在恒定小信号输入电流的条件下，小信号输入电压的变化范围得到扩展，从而提高了输入级的有效跨导。
本文的其余部分安排如下：第 2 节介绍了所提出的 CL-LDO 及其关键设计考虑因素；第 3 节分析了其稳定性；第 4 节提供了实验结果；最后第 5 节对本文进行了总结。

提出的 CL-LDO 的实现与分析
所提出的 CL-LDO 的核心电路结构如图 1 所示。晶体管 M1–M30 组成了一个跨导增强型误差放大器，有效提高了电路的输入跨导，从而增强了环路增益。晶体管 M31–M38 组成了一个源跟随器电压缓冲器，提升了 CL-LDO 的瞬态性能并改善了电路稳定性。电阻 R 和电容 C 构成了一个补偿网络，进一步增强了环路稳定性。

稳定性分析
根据图 7 所示的小信号跨导图，CL-LDO 的环路传递函数 H(s) 由公式 (14) 给出。由于 EA 内部节点的寄生电容远小于功率晶体管的栅电容 C_g、负载电容 C_L 和补偿电容 C_c，因此忽略了这些寄生电容的影响。H(s) = K_m · E_A · R_o · E_A · R_o · E_q [C_c(1?Γ_m · P · R_c)·s?Γ_m · P](1+R_o · E_A · R_o · E_q · C_c·Γ_m · P)(1+R_o · C_L · R_o · E_A · Γ_m·C_c·(1+R_o · C_p)
零点位于：ω_z = ?Γ_m · P · C_c(1?Γ_m · P·R_c)
由于 Γ_m · P·R_c ? 1，

实验结果
图 11 显示了采用 0.18μm CMOS 工艺制造的 CL-LDO 芯片的显微照片，其活性面积为 30624μm2。图 12 描述了用于测量负载/线性调节、瞬态响应和电源抑制比（PSR）的测试配置。测试设备包括电源、电子负载、数字万用表、信号发生器和示波器。所提出的 CL-LDO 设计的最大输出电流为 50mA，输出电压为 900mV。这些参数的选择是为了满足特定应用需求。

结论
本文提出了一种能够在低输入电压下工作的高精度 CL-LDO。通过采用所提出的跨导增强型体驱动（TEBD）技术，实现了高环路增益。该设计采用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺制造。测量结果以及表 3 中列出的竞争性综合性能指标（FoM）值表明，所提出的 CL-LDO 具有低功耗、快速的瞬态响应等优点。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家深度地球探测与矿产资源勘查重大科技项目（2024ZD1002700）、国家自然科学基金（项目编号 42074155）、中国地质大学北京分校的基本科研业务费（项目编号 2-9-2023-011）以及中国科学院重点研究计划（项目编号 KGFZD-145-22-06-02）的支持。

李敏 | 王永青 | 王晓松 | 唐世坚 | 张金航 | 张岐生
中国地质大学北京分校板块内火山与地震重点实验室，北京，100083，中国