一種用于LDO的super source follower結(jié)構(gòu)

1. LDO的穩(wěn)定性問題

根據(jù)我們之前文章的介紹，在有基準(zhǔn)電壓的情況下，一個簡單的LDO只需要用一個誤差放大器和一個pass device構(gòu)成。然而，要保證LDO在全負(fù)載范圍內(nèi)的穩(wěn)定性卻并不容易。假設(shè)LDO輸出有片外大電容穩(wěn)壓，那么輸出節(jié)點即為系統(tǒng)主極點。將反饋環(huán)路斷開來看系統(tǒng)穩(wěn)定性： 在輕負(fù)載（iload接近0）時，輸出電阻大，主極點低；重負(fù)載（iload接近LDO最大負(fù)載電流）時，輸出電阻小，主極點高。 那么在主極點變化范圍如此大的情況下，必須保證內(nèi)部次主極點距離unity-gain frequency足夠遠(yuǎn)，也就是足夠高頻，才能保證穩(wěn)定性。內(nèi)部次主極點在哪呢？就是在誤差放大器的輸出端，也是pass device的柵極。放大器的輸出電阻一般很高，而為了提供足夠大的source電流能力，pass device的尺寸很大，那么柵極寄生電容也比較大，導(dǎo)致這個節(jié)點的極點相對低頻，可能會引起不穩(wěn)定的問題。

圖一

圖二

為了解決全負(fù)載范圍內(nèi)的LDO穩(wěn)定性問題，之前的paper有兩種解決方案。 第一種是在誤差放大器和pass device的柵極之間插入一個buffer ，如圖一。這個buffer一般用source follower或者emitter follower來實現(xiàn)。加了buffer之后，在放大器輸出（N1節(jié)點）看不到pass device的大電容，只有buffer輸入的小電容；在pass device柵極（N2節(jié)點）看不到放大器輸出的大電阻，只有buffer輸出的小電阻。這樣就使得N1和N2的極點（p1和p2）都為帶外高頻極點，穩(wěn)定性得以保證。然而，圖二中的傳統(tǒng)source follower有一個很大的問題，當(dāng)輸出重負(fù)載的時候，LDO主極點較為高頻，而N2的電阻為source follower輸出電阻1/gm，為了使p2足夠高頻，必須增大M21的電流或尺寸以增大它的gm。增大電流犧牲了LDO的效率，而增大尺寸會增大N1點的寄生電容，使p1趨于低頻。

第二種解決方案是引入一個左半平面零點 ，以抵消非主極點帶來的相移。常見方法為利用輸出電容的ESR引入的零點，或者通過內(nèi)部電路引入一個偽ESR零點。原文中提到，還可以增加一個voltage-controlled current source來構(gòu)造零點。Anyway，在這里我們對這種方法不做詳細(xì)介紹，留到以后再聊。

在這篇文章里，作者是基于第一種解決方案，對傳統(tǒng)source follower進(jìn)行改進(jìn)，來解決LDO的全負(fù)載范圍穩(wěn)定性問題。

2. super source follower之V1.0

圖三

從前面分析容易想到，理想的source follower需要 輸入電容足夠小，輸出電阻足夠小，且功耗足夠低 。基于這個出發(fā)點，作者在傳統(tǒng)source follower的基礎(chǔ)上增加了一個反饋環(huán)路，構(gòu)造了super source follower的1.0版本，如圖三。我們來看N2點的輸出電阻。假設(shè)N1電壓固定，且I21和I22都為固定電流偏置，N2電壓增加V2，則M21的電流增加V2 * gm21，由于理想情況下M22的電流完全由I22決定，那么M21增加的電流就完全流到了Q20的基極，使得集電極電流增加V2*gm21 * β，N2節(jié)點被下拉。Q20的加入構(gòu)造了一個負(fù)反饋環(huán)路，使得在N2節(jié)點看到的電阻變?yōu)?/(gm21 * (1+β))，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/gm21減小了(1+β)倍。

事實上，也可以把Q20更換為一個NMOS。那么N2電壓增加V2，經(jīng)過M21這一級共柵極放大器的放大，Q20柵極電壓增大V2 * gm21* (ro21||ro22)，那么Q20的漏電流增加V2 * gm2 1* (ro21||ro22) * gm20，使得N2節(jié)點電阻為1/(gm21* (ro21||ro22) * gm20)，相比傳統(tǒng)的1/gm21減小了gm20* (ro21||ro22)倍。

無論Q20為NPN還是NMOS，super source follower的輸入電容和功耗都沒有明顯增加，而輸出電阻降低了非常多。

3. super source follower之V2.0

前面說過，LDO的主極點隨著負(fù)載電流增大而變大，而1.0版本的super source follower輸出電阻為1/(gm21*(1+β))，是一個固定值。那么，如果我們 隨著負(fù)載電流的增大，將super source follower輸出電阻進(jìn)一步降低 ，是不是可以使p2也隨著負(fù)載電流增大而增大，從而跟隨主極點的變化呢？這樣的話，就可以保證p2一直在帶外，不會影響穩(wěn)定性了。

圖四

出于前面的考慮，改進(jìn)出super source follower的2.0版本，如圖四。零負(fù)載的時候，M24和M25都沒有電流，電路和1.0版本完全相同。隨著負(fù)載電流增加，M24和M25按同樣的比例將負(fù)載電流鏡像過來，使M21的偏置電流隨著負(fù)載增加而增加，那么gm21變大，super source follower輸出電阻降低，p2增大，實現(xiàn)了我們前面說的目標(biāo)。值得注意的是，對于1.0和2.0版本來說，I22的設(shè)計都需要略小于I21，來保證Q20始終開啟（如果Q20是NMOS，則保證I22=I21）。而2.0版本里，M24電流疊加到I21上，M25電流疊加到M22上，所以M24和M25應(yīng)該保持相同的尺寸，使得內(nèi)部節(jié)點工作點不受影響。此外，電路改動之后，N2點電阻還并聯(lián)了一個M24的1/gm，所以輸出電阻為1/(gm21*(1+β)+gm24)。

除了輸出電阻的降低之外，相比傳統(tǒng)source follower，V2.0結(jié)構(gòu)還 改善了N2節(jié)點的slewing 。根據(jù)圖一，LDO從零負(fù)載突然切換為滿負(fù)載，輸出降低，N1也降低，則圖四中M21電流增加，流到Q20基極，Q20集電極電流增加，下拉N2節(jié)點。相反，如果LDO從滿負(fù)載切換為零負(fù)載，輸出增加，N1也增加，導(dǎo)致M21突然截止，M22將Q20基極拉到0，Q20也截止，則N2無下拉電流，同時M24在N2升高之前提供一個上拉電流，幫助N2點上升。