1. LDO的穩(wěn)定性問(wèn)題

這篇文章實(shí)際是之前的文章“一種用于LDO的super source follower結(jié)構(gòu)”的姐妹篇。在前一篇文章里提到過(guò)，在LDO輸出有片外大電容穩(wěn)壓的情況下，輸出節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)主極點(diǎn)。在輕負(fù)載（iload接近0）時(shí)，輸出電阻大，主極點(diǎn)低；重負(fù)載（iload接近LDO最大負(fù)載電流）時(shí)，輸出電阻小，主極點(diǎn)高。考慮到內(nèi)部運(yùn)放輸出節(jié)點(diǎn)電阻大，而pass device的柵極寄生電容大，為了保證全負(fù)載范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，一般會(huì)在內(nèi)部運(yùn)放輸出和pass device之間插一級(jí)buffer，避免內(nèi)部次極點(diǎn)太低頻。前一篇文章里介紹的是用super source follower來(lái)做buffer，而本文旨在用super current mirror來(lái)做buffer。

再?gòu)?fù)習(xí)一下我們對(duì)super source follower的要求： 輸入電容足夠小，輸出電阻足夠小，且功耗足夠低。 事實(shí)上，即便換成super current mirror，要求也是一樣的。

2. Super current mirror

圖一

圖一是用current mirror來(lái)做LDO buffer stage的典型例子。運(yùn)放輸出節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)NMOS的柵極，這個(gè)NMOS實(shí)際是作為一個(gè)gm cell，將VEA轉(zhuǎn)化為電流。再連接diode-connected PMOS，將電流以1:K的比例鏡像給功率管MP。可以看到，中間這個(gè)buffer的輸出阻抗Zo=1/gm。

如何對(duì)傳統(tǒng)的current mirror進(jìn)行改善呢？答案如圖二。對(duì)右側(cè)的super current mirror，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流分布如下：iB2=iB1=IOUT/K，iB4=iB6=iB5=IOUT/(3*K)，iB3=4*IOUT/(3*K)，那么IIN=IOUT/K。反過(guò)來(lái)看，這個(gè)電流鏡以1:K的比例將輸入電流鏡像出去，和左側(cè)傳統(tǒng)電流鏡的功能一樣。

圖二

瞬態(tài)時(shí) ，輸入電流IIN一旦增加Δi，MB5和MB6電流減小Δi，VBoost上升Δi*(ro4||ro6)，通過(guò)MB1使IBoost增加Δi*(ro4||ro6)*gm1，迅速拉低VG點(diǎn)，使IOUT增大?？梢姡矐B(tài)時(shí)，IBoost通過(guò)這個(gè)反饋環(huán)路的放大，可以加速VG這個(gè)大電容節(jié)點(diǎn)的拉低，那么super current mirror的瞬態(tài)響應(yīng)速度就比傳統(tǒng)電流鏡更快。隨著VG的拉低，一方面，MB3電流增大，使MB5電流增加，形成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路；另一方面，MB4電流也增大，使VBoost電壓繼續(xù)升高，形成一個(gè)正反饋環(huán)路。

下面分析下 環(huán)路穩(wěn)定性 。將MB1的gate和MB4/6的drain斷開，假設(shè)MB1的gate電壓增大Δv， IBoost減小Δvgm1，MB3,5,6的電流減小Δvgm14/3，VBoost減小Δvgm1 4/3 (ro4||ro6)，則此負(fù)反饋環(huán)路的增益為gm1 4/3 (ro4||ro6)。再看右側(cè)正反饋環(huán)路，MB4電流增大Δvgm11/3，VBoost增大Δvgm11/3*(ro4||ro6)，則正反饋環(huán)路增益為gm1 1/3 (ro4||ro6)，由各支路電流比例保證正反饋增益小于負(fù)反饋增益，低頻情況下可保證由負(fù)反饋主導(dǎo)。

那么隨著頻率的升高，如何保證相位裕度足夠呢？作者在MB2的gate和MB4的gate之間加了一個(gè)電阻Rc，但并未具體推導(dǎo)。對(duì)此，筆者自己畫了個(gè)等效模型并做了如下推導(dǎo)（此處認(rèn)為Rc>>1/gm2，可能有不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?，僅供參考）：

圖三

為了方便閱讀，重新貼一張圖二在這：

圖二

假如Rc=0，Cg2直接掛在VG上，會(huì)在整體環(huán)路里引入一個(gè)gm2/Cg2的次極點(diǎn)；而引入Rc后，次極點(diǎn)約為1/(RcCg2)，但同時(shí)引入一個(gè)左半平面的零點(diǎn)1/(4/3Rc*Cg2)，基本可以抵消次極點(diǎn)的影響。

再回頭看我們起初對(duì)buffer的要求： 輸入電容足夠小，輸出電阻足夠小，且功耗足夠低。 在本文介紹的結(jié)構(gòu)中，輸入電容和傳統(tǒng)電流鏡并沒(méi)有太大變化，且功耗增加了，但輸出電阻減小了。同樣可以由圖三推導(dǎo)Cg2節(jié)點(diǎn)的等效電阻，由于環(huán)路增益的抑制，使得此節(jié)點(diǎn)阻抗減小了非常多。

最后，貼一張?jiān)睦锏膶?duì)比圖：

圖四

可以看到，由于輸出阻抗減小，整體帶寬顯著增加。