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适用于3D NAND的高稳定度的 Capacitor free LDO 适用于3dnand的高稳定度的capacitor-freeldo 　　摘要：文中设计一种应用于3dnand的无片外补偿电容的ldo，该电路在传统嵌套米勒补偿的基础上，增加“gⅲ减小电路”和“轻重载控制电路”，实现在空载（电流负载为零）且有大负载电容条件下的稳定。此设计应用ymtc0.18μm工艺实现，仿真结果显示，在2.5-3.6v电源供电下，整个电路消耗的静态电流为50μa，总补偿电容为7pf，电路稳定的时间小于6μs，输出线性调整率小于2.2mv/v，负载调整率小于0.9mv/ma。 　　关键词：ldo;米勒补偿;3dnand;电路设计;仿真实验;稳定性分析 　　中图分类号：tn911-34;tp301.6 　　文献标识码：a 　　文章编号：1004-373x（2019）24-0042-04 　　0引言 　　近年来，越来越多的适用于soc的ldo调制器结构相继被提出[1-4]，其中，文献[3-7]都采用了嵌套米勒補偿，但普通的嵌套米勒补偿只能实现小负载电容条件下的稳定。对于应用于3dnand中的ldo而言，由于它给整个nand中的所有chargepump供电，并且相邻平面间的寄生电容比原来的2dnand增大了4倍左右[8]，因此对ldo负载提出了特殊要求，需要能支持nf级负载输出电容。因而对空载（电流负载为零）条件下的ldo环路稳定性提出了挑战。为了确保线性调制达到要求，电路的环路增益必须足够大，文献[3]利用基于fvf的dsmfc结构，可以实现负载电容为10pf-10nf范围内的稳定，但是重载条件下的环路增益只有50db，达不到精度要求。文献[4]通过增加增益级去提高环路增益和负载调制、线性调制等，同时利用米勒补偿实现稳定，但只能实现最大负载电容为50pf的稳定。因此在大负载电容条件下，如何同时实现高增益和稳定性是一个难题。本文利用嵌套米勒补偿，并增加“gm减小电路”和“轻重载判断控制电路”，只需7pf的补偿电容便可轻松实现负载电容为1nf，负载电流为空载条件下的快速稳定，并且环路增益总体达96db以上，具有更好的线性调整率。 　　1ldo结构及稳定性分析 　　本文提出的ldo结构如图1所示，包括“gm减小电路”（虚线所框区域“一gm”）、两个增益级（g1，g2）、功率管和“负载判断控制电路”等。其中由负载感应电路和迟滞比较器构成“负载判断控制电路”，用于控制轻、重载两种不同工作模式下的“gm减小电路”的开启和关闭。 　　由式（4）和式（6）可知，各极点位置g。，与无关，只有环路增益式（5）与gm1有关。利用本文的方法，在轻载时，控制开关中关闭，此时“gm减小电路”加入，第一级放大器的跨导gm=gm1-gm;重载时，控制开关中打开，“gm减小电路”与ldo断开，为正常米勒补偿结构，此时第一级放大器的跨导gm=gm1。 　　在轻载条件下，电路本身增益足够大，在不改变原来各个极点位置的情况下，利用“gm减小电路”使得增益曲线向下移动，从而保证空载条件下的稳定性。而在重载条件下，电路本身增益较小，这时释放“gm减小电路”，从而弥补了因重载而负载电阻小，从而导致增益小的缺陷。图3为本文ld0和嵌套米勒补偿的ldo幅频响应对比图，由图可以看出在空载时，不改变各个极点的位置，仅仅将增益曲线向下移动，能更好地满足相位裕度和增益裕度要求，实现电路的稳定。2电路设计 　　本文提出的ldo电路如图4所示，第一增益级里的“gm减小电路”（如图4中虚线区域所示），作用是在轻载条件下减小第一级的gm。通过ma管复制功率管mp的电流，mb充当一个恒流源，当处于轻载时，流过mp的电流较小，ma和mp栅电压较高，从而迟滞比较器的输入电压低于参考电压vref2，则比较器输出为高，则控制开关中使得“gm减小电路”开启;反过来，重载时，控制开关中使得“gm减小电路”关闭，此时整个ldo为嵌套米勒补偿的正常结构。 　　3仿真结果 　　本文在ymtc0.18μm工艺下用cadence的spectre仿真，电源电压为2.6-3.6v。负载电容cl范围为0pf-1nf，负载电流范围il为0-5ma。图6a）和图6b）分别为负载电容为1nf和1pf时对应于不同的负载电流il下的开环增益和频率响应图。 　　可以看出仿真结果和表1的推导结果一致。在全负载电流范围内，电路环路增益都在95db以上，并且相位裕度都在86。以上。在负载电容为1nf、空载时，电路因为共轭极点导致“尖峰”出现，利用本文的方法，很好地将尖峰移至0db以下，从而保证了电路的稳定。 　　图7a）和图7