說(shuō)實(shí)話每次在群里看到有人把“高增益、高帶寬、高PSRR”這三個(gè)詞并排放在一個(gè)LDO前面我第一反應(yīng)都是這兄弟要么是剛接手一個(gè)難啃的規(guī)格書(shū)要么就是已經(jīng)被上一版流片折磨到想梭哈一把。做過(guò)電源管理的人都知道低壓差線性穩(wěn)壓器看著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單——誤差放大器、功率管、反饋分壓電阻三件套但真要把這三個(gè)指標(biāo)同時(shí)做到“高”那基本是模擬設(shè)計(jì)里典型的“既要又要還要”困局。增益做高了帶寬容易被功率管柵極那個(gè)大電容拖死帶寬好不容易拉上去PSRR又會(huì)在單位增益帶寬附近提前滾降你要是再把PSRR的要求卡到1MHz甚至更高頻率很多人第一反應(yīng)就是“這活兒我不接了你去找DCDC吧”。但這類(lèi)需求在現(xiàn)實(shí)里真實(shí)存在比如給高性能ADC、SerDes的PLL供電外部干擾頻段動(dòng)不動(dòng)到幾百kHz甚至MHz級(jí)別負(fù)載瞬態(tài)又要求快速響應(yīng)輸出電壓精度還必須穩(wěn)如老狗。這篇文章我不打算講教科書(shū)上的理論堆砌而是把一套實(shí)際能跑通的“高增益高帶寬高PSRR LDO架構(gòu)”完整拆給你看它的整體拓?fù)溟L(zhǎng)什么樣三個(gè)指標(biāo)分別由哪一級(jí)電路負(fù)責(zé)參數(shù)怎么估算仿真怎么搭以及最容易翻車(chē)的地方在哪里。內(nèi)容比較長(zhǎng)建議正在做片上LDO、或者是剛接觸電源管理方向的研究生們拿小本本記一下。1. “三高”指標(biāo)背后的設(shè)計(jì)矛盾1.1 增益和帶寬同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的兩種拉扯先聊一個(gè)很多新手一開(kāi)始沒(méi)意識(shí)到的點(diǎn)增益和帶寬在LDO里不是兩條獨(dú)立的設(shè)計(jì)路線它們是在同一個(gè)高阻輸出節(jié)點(diǎn)上打架。誤差放大器要靠比較大的輸出阻抗來(lái)獲得高增益但高阻節(jié)點(diǎn)只要一掛負(fù)載電容極點(diǎn)頻率就會(huì)被壓得很低。這里有個(gè)很直觀的估算例子。假設(shè)你的誤差放大器輸出阻抗做到了5MΩ這是為了把增益做大然后你直接用這個(gè)節(jié)點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)功率管的柵極。功率管為了過(guò)100mA的負(fù)載電流柵電容很容易做到10pF這個(gè)量級(jí)。那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)頻率就是f_p 1 / (2π × R_out × C_g) ≈ 1 / (2π × 5MΩ × 10pF) ≈ 3.2kHz3.2kHz的主極點(diǎn)意味著什么如果你想把單位增益帶寬做到10MHz而主極點(diǎn)只有3.2kHz那你開(kāi)環(huán)直流增益至少要做到10MHz除以3.2kHz也就是3000多倍換算成dB大約是70dB。聽(tīng)起來(lái)好像還行但問(wèn)題是這70dB的增益要由一個(gè)誤差放大器單獨(dú)扛下來(lái)而且整個(gè)環(huán)路的增益曲線從3.2kHz就開(kāi)始以-20dB/dec往下掉到10MHz附近相位裕度早就被各種次極點(diǎn)吃干凈了。更別說(shuō)你還需要誤差放大器去驅(qū)動(dòng)這么大的電容負(fù)載擺率也會(huì)被拖垮。所以第一個(gè)矛盾就是增益要往高做需要高阻抗節(jié)點(diǎn)帶寬要往高做又需要這個(gè)節(jié)點(diǎn)抗得住電容。這兩個(gè)需求本質(zhì)上就對(duì)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)提出了相反的要求。1.2 PSRR到底由誰(shuí)決定PSRR這個(gè)概念很多人以為它就是“環(huán)路增益越大PSRR就越高”這話對(duì)一半但真做起來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)情況更復(fù)雜。一個(gè)PMOS功率管的LDO從電源VDD到輸出VOUT的紋波穿通實(shí)際上有至少三條路徑第一條路徑是功率管本身。PMOS管的柵極和源極之間有寄生電容Cgs漏極和柵極之間有Cgd電源紋波可以通過(guò)電容直接耦合到輸出這條路徑在高頻時(shí)很致命因?yàn)轭l率越高電容阻抗越低穿通越強(qiáng)。加上功率管有限的輸出阻抗rds低頻也有一點(diǎn)點(diǎn)直接泄漏只是通常被環(huán)路壓下去了。第二條路徑是誤差放大器自身的PSRR。你的輸入對(duì)管、電流鏡負(fù)載、偏置電路全都掛在VDD上電源紋波會(huì)通過(guò)放大器內(nèi)部的不對(duì)稱路徑出現(xiàn)在誤差放大器的輸出端然后被功率管放大。這個(gè)分量很討厭因?yàn)榄h(huán)路增益能抑制的只是“從輸出端返回來(lái)的誤差”但誤差放大器自己把電源噪聲當(dāng)成“輸入信號(hào)”灌進(jìn)環(huán)路反饋環(huán)路不僅不抑制它甚至可能幫你把它放大。第三條路徑才是我們常說(shuō)的“反饋環(huán)路抑制”能力。環(huán)路增益越大低頻段的PSRR越好這個(gè)關(guān)系在低頻是對(duì)的。但一旦頻率超過(guò)單位增益帶寬UGF環(huán)路就沒(méi)有任何抑制能力了PSRR曲線會(huì)迅速劣化基本回到功率管直接穿通的水平。所以結(jié)論來(lái)了想要高PSRR不能只盯著一路子增益你至少需要三個(gè)動(dòng)作同時(shí)做對(duì)——低頻段靠高環(huán)路增益壓、中頻段靠高PSRR的誤差放大器撐、高頻段靠前饋抵消或者其他手段對(duì)沖功率管電容直通。1.3 常規(guī)兩級(jí)LDO的結(jié)構(gòu)性天花板我們來(lái)看看經(jīng)典的“誤差放大器PMOS功率管”兩級(jí)LDO能走到哪一步。這種結(jié)構(gòu)里誤差放大器輸出端直接接功率管柵極剛才算了柵極有10pF級(jí)別的寄生電容誤差放大器為了增益又會(huì)把輸出阻抗做高于是主極點(diǎn)非常低UGF很難推高。有人會(huì)想到那把誤差放大器的輸出阻抗做低一點(diǎn)不就行了可以但代價(jià)是增益斷崖式下跌。你想拿一個(gè)低阻輸出節(jié)點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)10pF電容還要保持高增益本質(zhì)上是在讓誤差放大器在增益和驅(qū)動(dòng)能力之間反復(fù)橫跳。有人又想到了那在誤差放大器和功率管之間加一級(jí)源跟隨器緩沖確實(shí)很多設(shè)計(jì)是這么干的但緩沖器本身會(huì)引入一個(gè)新的寄生極點(diǎn)而且源跟隨器要驅(qū)動(dòng)功率管的大柵電容靜態(tài)電流小了不行電流大了功耗爆炸。更關(guān)鍵的是即使你把UGF推到5MHz以上PSRR在超過(guò)UGF之后還是會(huì)面臨一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題反饋環(huán)路已經(jīng)失效功率管的Cgd直通把電源紋波直接送出去。換句話說(shuō)常規(guī)兩級(jí)LDO的結(jié)構(gòu)性天花板就在這兒——高頻PSRR不是靠調(diào)環(huán)路能救回來(lái)的必須在架構(gòu)上想辦法。2. 一種能把三個(gè)指標(biāo)同時(shí)拉起來(lái)的架構(gòu)2.1 整體思路低阻緩沖、增益提升、前饋抵消三管齊下既然常規(guī)兩級(jí)結(jié)構(gòu)在天花板之下那就得從架構(gòu)層面重新拆分任務(wù)。我的做法是把LDO拆成三個(gè)功能明確的級(jí)讓每一級(jí)只干一件事再把它們拼成一個(gè)完整的環(huán)路。整體拓?fù)溆梦淖置枋龃蟾攀沁@樣的輸入差分對(duì)PMOS管把反饋電壓和基準(zhǔn)電壓做差送入一個(gè)帶增益提升的折疊共源共柵負(fù)載形成一個(gè)高增益第一級(jí)第一級(jí)的輸出不直接驅(qū)動(dòng)功率管而是先進(jìn)一級(jí)源跟隨器緩沖由緩沖器去驅(qū)動(dòng)功率管的大柵電容功率管仍然用PMOS源端接VDD漏端接輸出。在這個(gè)主環(huán)路之外再單獨(dú)拉一條電源紋波前饋路徑從功率管的電源端取樣紋波電流經(jīng)過(guò)處理后反相注入到輸出節(jié)點(diǎn)用來(lái)抵消高頻段的電源直通泄漏。對(duì)應(yīng)到三個(gè)指標(biāo)上非常清晰高增益由第一級(jí)折疊共源共柵加上增益提升電路負(fù)責(zé)高帶寬由源跟隨器緩沖器把功率管大柵電容從高阻節(jié)點(diǎn)上“摘掉”負(fù)責(zé)高PSRR則是三管齊下低頻靠高環(huán)路增益中頻靠第一級(jí)自身的高PSRR高頻靠前饋抵消。各干各的不再互相拉扯。這種架構(gòu)不是什么玄學(xué)而是很多高性能LDO論文和量產(chǎn)芯片實(shí)際采用的思路。區(qū)別只在于細(xì)節(jié)緩沖器怎么做才能既低阻又省電前饋抵消怎么實(shí)現(xiàn)才能在全PVT下都有正確的幅度和相位。2.2 第一級(jí)高增益折疊共源共柵加增益提升第一級(jí)我推薦用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。為什么不用簡(jiǎn)單的五管運(yùn)放因?yàn)槲骞苓\(yùn)放的增益也就40dB左右距離“高增益”三個(gè)字差得遠(yuǎn)。折疊共源共柵可以把輸出阻抗推到兆歐級(jí)別在不用增益提升的情況下單級(jí)增益做到60到70dB并不難。具體點(diǎn)說(shuō)我用輸入PMOS差分對(duì)尾電流大概就30μA每個(gè)輸入管分到15μA的靜態(tài)電流。為了讓跨導(dǎo)足夠又不至于吃掉太多壓降輸入管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可以取到0.15V左右這時(shí)候每個(gè)輸入管的跨導(dǎo)大約是0.2mA/V。負(fù)載用NMOS共源共柵電流鏡輸出節(jié)點(diǎn)的阻抗可以做到約8MΩ。那單級(jí)增益就是A_v1 g_m × R_out ≈ 0.2mA/V × 8MΩ ≈ 1600 ≈ 64dB64dB還不夠“高增益”所以需要在這個(gè)基礎(chǔ)上加增益提升。原理不復(fù)雜用一個(gè)輔助放大器把共源共柵管的柵極電壓固定住讓主管的漏端電壓基本不變這樣共源共柵管的輸出阻抗會(huì)被輔助放大器的增益再抬高一截整體R_out可以提高10到20倍。加了增益提升之后第一級(jí)的增益能做到80dB甚至85dB以上。很多人聽(tīng)到增益提升就發(fā)怵覺(jué)得要多寫(xiě)好多電路。但從流片經(jīng)驗(yàn)看這個(gè)付出是值得的因?yàn)樗苯影训皖lPSRR和線性調(diào)整率的底子打好了。需要注意的是增益提升輔助放大器本身也要有電源抑制能力而且不能成為環(huán)路的穩(wěn)定性短板后面第5章我會(huì)專(zhuān)門(mén)說(shuō)這個(gè)坑。2.3 高帶寬的關(guān)鍵低阻緩沖器怎么設(shè)計(jì)第一級(jí)輸出是高阻節(jié)點(diǎn)這是它的優(yōu)勢(shì)但也是它的軟肋。如果把這種高阻節(jié)點(diǎn)直接接到10pF的功率管柵極上主極點(diǎn)就掉到幾kHz帶寬徹底沒(méi)戲。所以中間必須要有一級(jí)緩沖把柵極電容和大節(jié)點(diǎn)隔離。緩沖器最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)是PMOS源跟隨器它的輸出阻抗大概是1/gm。你給它100μA的靜態(tài)電流過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓取0.2V那gm大概是1mA/V輸出阻抗差不多1kΩ。這個(gè)1kΩ去推10pF的柵電容極點(diǎn)頻率是f_gate 1 / (2π × 1kΩ × 10pF) ≈ 16MHz16MHz的極點(diǎn)對(duì)5MHz左右的UGF來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的次極點(diǎn)但至少不會(huì)把帶寬直接卡死。如果把緩沖器靜態(tài)電流降到30μAgm就變成0.3mA/V輸出阻抗3.3kΩ柵極點(diǎn)掉到4.8MHz這就會(huì)在主帶寬附近引起很大的相位損失弄不好直接振蕩。所以高帶寬LDO的緩沖器絕不能省電流但也不能一味加大靜態(tài)功耗。實(shí)踐中我比較推薦給源跟隨器做自適應(yīng)偏置輕載時(shí)緩沖器靜態(tài)電流可以小一點(diǎn)重載或者瞬態(tài)來(lái)的時(shí)候讓偏置電流動(dòng)態(tài)變大。這樣既保住了帶寬又把平時(shí)的功耗壓下來(lái)。2.4 功率級(jí)怎么選尺寸和寄生電容的平衡功率管是整個(gè)LDO里最“大”的一個(gè)器件也是所有寄生問(wèn)題的源頭。選PMOS而不是NMOS做功率管是因?yàn)镻MOS可以從VDD直接拉電流實(shí)現(xiàn)真正的低壓差很多應(yīng)用里輸入輸出壓差就100mVNMOS做源跟隨器的話壓差天生就大。功率管的尺寸要同時(shí)滿足兩個(gè)約束滿載時(shí)壓差不能太大導(dǎo)通電阻要夠低同時(shí)柵極寄生電容又不能大到讓緩沖器完全推不動(dòng)。拿100mA最大負(fù)載來(lái)估算如果允許壓差在150mV左右那功率管導(dǎo)通阻抗需要做到1.5Ω左右。為了達(dá)到這個(gè)導(dǎo)通阻抗在0.18μm工藝下功率管寬長(zhǎng)比做到幾千比一很正常比如W/L做到4000μm/0.5μm。這么大的尺寸柵電容算下來(lái)確實(shí)就是10pF量級(jí)。有人看到這個(gè)寄生電容就頭大但在2.3節(jié)的緩沖器方案下它并沒(méi)有那么可怕。真正需要注意的是功率管自身的溝道長(zhǎng)度調(diào)制和溫度系數(shù)——滿載時(shí)導(dǎo)通電阻隨溫度升高會(huì)變差如果電流余量留得不夠高溫下壓差會(huì)超標(biāo)。3. 高PSRR的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)前饋紋波抵消3.1 為什么高頻PSRR不能只靠反饋先看一個(gè)讓人沮喪的現(xiàn)實(shí)反饋環(huán)路對(duì)電源紋波的抑制能力在超過(guò)UGF之后會(huì)迅速衰減。假設(shè)你的LDO單位增益帶寬做到了8MHz那么在1MHz以下環(huán)路增益可能還有20dB以上的余量能幫你壓掉一部分電源紋波。但到了10MHz、20MHz環(huán)路增益已經(jīng)低于0dBPSRR完全靠功率管自己那點(diǎn)隔離能力基本就是Cgd直通、Cgs耦合的天下了。反饋環(huán)路救不了高頻那就只能走前饋。前饋的思路很簡(jiǎn)單既然電源紋波會(huì)通過(guò)功率管泄漏到輸出端那我不如主動(dòng)構(gòu)造一個(gè)和泄漏電流相位相反、幅度相等的電流把它也注入輸出端兩個(gè)電流相互抵消。聽(tīng)起來(lái)很美好但做起來(lái)要對(duì)準(zhǔn)相位和幅度這也是高頻PSRR設(shè)計(jì)里最考驗(yàn)功底的地方。3.2 方法一柵極交流前饋?zhàn)钍」摹⒁沧畛１徽撐囊玫囊环N前饋方法是直接在功率管柵極和VDD之間接一個(gè)前饋電容Cff。這個(gè)電容的作用是把電源紋波交流耦合到功率管柵極讓柵極電壓跟著紋波一起動(dòng)從而調(diào)制功率管的柵源電壓Vgs在漏端產(chǎn)生一個(gè)與直接泄漏反相的電流。這個(gè)方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不消耗任何靜態(tài)功耗一顆電容就完事而且如果Cff和功率管Cgs的比例選得準(zhǔn)在很寬的頻段內(nèi)都能有不錯(cuò)的抵消效果。缺點(diǎn)是抵消精度極度依賴Cff與Cgs的比值以及功率管跨導(dǎo)gm的絕對(duì)值這些參數(shù)在工藝角、溫度、電壓變化下會(huì)漂移所以實(shí)際做出來(lái)的效果很難在全PVT范圍內(nèi)都完美。我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)是柵極交流前饋比較適合作為“打底”手段配合其他校準(zhǔn)或者修調(diào)電路使用。你指望光靠一顆電容就把1MHz PSRR做到70dB以上不太現(xiàn)實(shí)大概率是某個(gè)工藝角下效果很好換個(gè)工藝角就出現(xiàn)一個(gè)明顯的PSRR尖峰。3.3 方法二紋波感應(yīng)管加電流注入想要更可控的高頻PSRR我推薦用紋波感應(yīng)管配合電流注入的方式這也是不少量產(chǎn)電源芯片的常用做法。具體實(shí)現(xiàn)是在功率管旁邊做一個(gè)尺寸為功率管1/K的感應(yīng)管Msense感應(yīng)管的柵源和功率管完全并聯(lián)這樣它天然流過(guò)與功率管成比例的電流包括電源紋波產(chǎn)生的紋波電流。讓感應(yīng)管的漏極接一個(gè)電流鏡或者一個(gè)共源放大器把這個(gè)紋波電流放大K倍再反相注入到LDO輸出節(jié)點(diǎn)。選擇K值需要仔細(xì)權(quán)衡K越大感應(yīng)管越省面積但感應(yīng)到的紋波電流越小信噪比越差后級(jí)放大難度越高。我一般取K在10到20之間這樣感應(yīng)管不會(huì)占用太多面積同時(shí)感應(yīng)到的紋波電流也有足夠幅度。后級(jí)放大器把電流放大到與功率管泄漏電流等幅反相就能實(shí)現(xiàn)比較精確的對(duì)沖。這個(gè)方法比柵極前饋電容可控性強(qiáng)得多你可以通過(guò)修調(diào)電流鏡的比例來(lái)微調(diào)抵消幅度甚至可以加一點(diǎn)點(diǎn)相位補(bǔ)償來(lái)修正高頻下的相移。代價(jià)是額外增加了一路靜態(tài)功耗和版圖面積。3.4 兩種方法的橫向?qū)Ρ任艺砹艘粡垖?duì)比表方便你根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求選方案對(duì)比項(xiàng)柵極交流前饋感應(yīng)管加電流注入靜態(tài)功耗幾乎為零需要額外靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很低一顆電容中等需要感應(yīng)管和放大電路抵消精度依賴Cff/Cgs匹配可通過(guò)修調(diào)提高精度PVT魯棒性較弱較強(qiáng)版圖面積很小中等適用場(chǎng)景PSRR要求不高或面積緊張高頻PSRR要求高、量產(chǎn)可靠性優(yōu)先我的建議是如果指標(biāo)里要求PSRR在1MHz以上還要做到60dB以上直接上感應(yīng)管方案別在柵極電容上花太多心思。如果只是想把低頻到500kHz的紋波壓一壓柵極前饋電容就夠用了。4. 參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真落地4.1 先把目標(biāo)表和設(shè)計(jì)預(yù)算寫(xiě)清楚空談架構(gòu)沒(méi)意義所有設(shè)計(jì)最終都要落到具體指標(biāo)上。我以一個(gè)常見(jiàn)的0.18μm CMOS工藝為例目標(biāo)應(yīng)用是給片上高性能模塊供電。設(shè)計(jì)目標(biāo)我列成了一張表參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)輸入電壓3.3V輸出電壓1.8V最大負(fù)載電流100mA靜態(tài)電流≤60μA環(huán)路直流增益≥100dB單位增益帶寬≥5MHz相位裕度≥55°PSRR 100kHz≥70dBPSRR 1MHz≥60dB負(fù)載瞬態(tài)過(guò)沖≤30mV靜態(tài)電流只有60μA同時(shí)還要驅(qū)動(dòng)100mA的負(fù)載這個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要在緩沖器的偏置分配上。我的預(yù)算是第一級(jí)誤差放大器30μA緩沖器動(dòng)態(tài)偏置平均下來(lái)30μA前饋抵消路徑單獨(dú)再占10到20μA。這樣總靜態(tài)功耗不會(huì)太夸張又能保證帶寬和PSRR。4.2 功率管尺寸和關(guān)鍵電流怎么估算功率管尺寸直接決定了LDO能不能在低壓差下輸出滿載電流。從導(dǎo)通阻抗角度估算壓差150mV、電流100mA需要Rds_on 1.5Ω。假設(shè)柵極驅(qū)動(dòng)足夠PMOS工作在線性區(qū)邊緣那么W/L需要做到幾千以上具體數(shù)字跟工藝的μpCox有關(guān)。這種尺寸下功率管柵電容計(jì)算下來(lái)確實(shí)在10pF量級(jí)。柵電容大了帶來(lái)的問(wèn)題我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)不再重復(fù)但它在設(shè)計(jì)中還有一個(gè)隱藏影響就是如果你不把緩沖器做好這個(gè)電容會(huì)讓整個(gè)環(huán)路的擺率嚴(yán)重不足瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間會(huì)非常難看。再來(lái)估算第一級(jí)的跨導(dǎo)。誤差放大器尾電流30μA每個(gè)輸入管15μA過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓0.15V輸入管跨導(dǎo)g_m ≈ 0.2mA/V。為了讓單位增益帶寬落在8MHz附近密勒補(bǔ)償電容取4pF于是有UGF ≈ g_m / (2π × C_c) ≈ 0.2mA/V / (2π × 4pF) ≈ 8MHz這個(gè)8MHz加上后續(xù)功率級(jí)和緩沖器帶來(lái)的增益衰減最終環(huán)路帶寬大概能落在6MHz左右相位裕度還有優(yōu)化的空間。4.3 穩(wěn)定性補(bǔ)償極點(diǎn)和零點(diǎn)怎么擺穩(wěn)定性的核心是安排好極點(diǎn)和零點(diǎn)。這個(gè)架構(gòu)里有三個(gè)關(guān)鍵極點(diǎn)第一級(jí)輸出主極點(diǎn)、緩沖器柵極點(diǎn)、輸出極點(diǎn)。主極點(diǎn)靠Cc壓在低頻密勒補(bǔ)償會(huì)在Cc串聯(lián)電阻Rz產(chǎn)生一個(gè)左半平面零點(diǎn)來(lái)抵消次極點(diǎn)帶來(lái)的相位損失。緩沖器柵極點(diǎn)由緩沖器輸出阻抗和功率管柵電容決定前面算過(guò)大約在16MHz。輸出極點(diǎn)則取決于負(fù)載電容和負(fù)載阻抗如果片外有100nF負(fù)載電容滿載時(shí)負(fù)載阻抗約18Ω輸出極點(diǎn)頻率大概在88kHz——這個(gè)不高但好在它會(huì)被Rz產(chǎn)生的零點(diǎn)或ESR零點(diǎn)抵消。相位裕度不夠怎么辦優(yōu)先調(diào)整Rz的值把零點(diǎn)放到輸出極點(diǎn)或緩沖器柵極點(diǎn)的位置附近。如果還不滿足再去加大緩沖器靜態(tài)電流讓柵極點(diǎn)繼續(xù)外推。千萬(wàn)不要一上來(lái)就把Cc往大了加雖然相位裕度看起來(lái)變好了但UGF會(huì)掉下來(lái)PSRR的受益頻段也會(huì)往低頻縮。4.4 仿真方法和容易踩的測(cè)試陷阱高頻PSRR的仿真其實(shí)是一個(gè)很考驗(yàn)細(xì)節(jié)的操作。最簡(jiǎn)單的方法是給VDD加一個(gè)AC1的小信號(hào)源然后在輸出端測(cè)AC響應(yīng)但要注意這時(shí)整個(gè)環(huán)路的DC工作點(diǎn)必須和最差工況一致。我的習(xí)慣是分別仿真三檔負(fù)載空載、10mA、100mA因?yàn)镻SRR在輕載和重載下差異巨大。輕載時(shí)功率管跨導(dǎo)小前饋抵消的匹配關(guān)系可能發(fā)生變化重載時(shí)功率管泄漏電流大前饋?zhàn)⑷氲碾娏鲝?qiáng)度要跟得上。瞬態(tài)仿真里有個(gè)經(jīng)典陷阱負(fù)載階躍的上升時(shí)間設(shè)得太快或太慢都會(huì)影響你看到的過(guò)沖大小。我一般用100ns的躍變時(shí)間這是與目標(biāo)應(yīng)用的實(shí)際負(fù)載變化速率匹配的。另外如果你要驗(yàn)證大信號(hào)下的PSRR不能用小信號(hào)AC仿真得用周期穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)FFT因?yàn)榇笮盘?hào)下功率管的工作點(diǎn)偏移會(huì)改變抵消路徑的增益。5. 實(shí)操中踩過(guò)的坑與排查方法5.1 前饋抵消做過(guò)度PSRR尖峰甚至反向惡化這個(gè)坑我踩得最狠。最早版本我調(diào)感應(yīng)管比例和電流鏡增益單獨(dú)看小信號(hào)PSRR曲線時(shí)1MHz附近效果很好能做到70dB以上心里還挺美。結(jié)果到了全PVT仿真某些工藝角和溫度組合下1MHz附近的PSRR突然從70dB變成40多dB甚至出現(xiàn)一個(gè)上凸的尖峰等于那個(gè)頻率點(diǎn)不但沒(méi)壓制紋波反而把紋波放大了。原因其實(shí)不復(fù)雜前饋?zhàn)⑷氲碾娏骱凸β使苄孤╇娏髟谀硞€(gè)頻點(diǎn)同相疊加就形成了正反饋式的“助力”。排查方法也直接把前饋路徑單獨(dú)關(guān)掉先看基礎(chǔ)PSRR曲線再把前饋路徑單獨(dú)打開(kāi)把輸出端的注入電流和基礎(chǔ)泄漏電流分別仿真出來(lái)比較它們的幅度譜和相位譜。只要相位差沒(méi)對(duì)準(zhǔn)就一定會(huì)出現(xiàn)尖峰。5.2 緩沖器偏置不夠帶寬和相位裕度雙雙崩盤(pán)有段時(shí)間我在一個(gè)低功耗項(xiàng)目里把緩沖器靜態(tài)電流壓得很低仿真里DC增益、PSRR低頻段都挺漂亮但AC仿真一跑相位裕度只有35度怎么看怎么別扭。最后定位到就是緩沖器輸出阻抗在輕載時(shí)過(guò)大功率管柵極極點(diǎn)掉到了UGF附近。這個(gè)問(wèn)題最?lèi)盒牡狞c(diǎn)在于它不會(huì)在典型仿真條件下暴露因?yàn)榈湫凸に嚱?、常溫、典型?fù)載下緩沖器gm足夠柵極點(diǎn)位置是夠的。但一到慢工藝角加低溫gm掉了將近30%柵極點(diǎn)直接往下掉相位裕度就崩了。所以我現(xiàn)在設(shè)計(jì)緩沖器至少要在最差工藝角下留出兩倍以上的極點(diǎn)裕量。如果功耗預(yù)算實(shí)在緊張就上自適應(yīng)偏置即負(fù)載變大時(shí)自動(dòng)提高緩沖器偏置電流把帶寬在需要的時(shí)候頂上去。5.3 版圖寄生效應(yīng)對(duì)零點(diǎn)位置的擾動(dòng)很多人在前仿階段覺(jué)得一切完美一到后仿PEX就發(fā)現(xiàn)相位裕度少了10度PSRR曲線整體往低頻退。這不是玄學(xué)是金屬走線寄生電容和電阻把補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)位置挪走了。尤其是密勒補(bǔ)償電阻Rz它的寄生電容會(huì)和Cc分壓直接改變零點(diǎn)頻率。解決辦法是版圖上盡量把補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)元件放在誤差放大器附近縮短走線Rz用高阻材料做的時(shí)候要留意它的寄生并聯(lián)電容。后仿階段要重點(diǎn)檢查的頻率點(diǎn)是UGF附近因?yàn)榱泓c(diǎn)稍微一偏相位裕度變化非常敏感。5.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表癥狀可能的根因排查建議100kHz處PSRR不足環(huán)路增益不夠或誤差放大器自身PSRR差檢查DC增益和EA的電源抑制曲線1MHz處PSRR突然劣化前饋抵消相位/幅度沒(méi)對(duì)準(zhǔn)單獨(dú)仿真泄漏電流與前饋電流對(duì)比相位裕度不足AC峰值明顯緩沖器偏置電流不足柵極點(diǎn)過(guò)低加大緩沖器靜態(tài)電流或加自適應(yīng)偏置負(fù)載瞬態(tài)過(guò)沖偏大擺率受限或輸出電容太小檢查緩沖器峰值電流和Cout取值輕載時(shí)環(huán)路不穩(wěn)定輕載下功率管gm低零點(diǎn)移錯(cuò)位置重新計(jì)算輕載工況下的極點(diǎn)零點(diǎn)布局后仿PSRR比前仿差很多寄生電容改變前饋/補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)版圖上縮短關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)走線加屏蔽最后再分享一點(diǎn)我自己的體會(huì)這類(lèi)“三高”LDO做下來(lái)最核心的感覺(jué)是不要試圖讓同一個(gè)電路同時(shí)解決所有問(wèn)題而是要把指標(biāo)目標(biāo)拆開(kāi)讓每一級(jí)電路專(zhuān)門(mén)去扛一個(gè)指標(biāo)最后再用環(huán)路把它們縫合起來(lái)。高增益可以放心堆在第一級(jí)高帶寬專(zhuān)門(mén)讓緩沖器去抗高PSRR在低頻靠環(huán)路、高頻靠前饋。每一塊單獨(dú)看都不算特別難難的是它們組合在一起之后的穩(wěn)定性和魯棒性。尤其是前饋抵消這個(gè)手段我做了好幾個(gè)版本之后才明白匹配和修調(diào)才是它能不能量產(chǎn)落地的關(guān)鍵仿真里再完美的抵消曲線到了PVT極端條件下都可能給你上一課。如果你的流片機(jī)會(huì)有限我建議先把UGF和相位裕度做扎實(shí)再用前饋去補(bǔ)高頻PSRR——基礎(chǔ)環(huán)路不扎實(shí)前饋補(bǔ)再高也是空中樓閣。