1. 模擬LDO

1.1 FVF BasedLDO

FVF全稱為Flipped Voltage Follower是一種輸出阻抗很低的新型源跟隨器，其擁有更大的電流驅動能力，相對傳統單管源跟隨器輸出阻抗減小了gm2ro1倍，如圖1所示，其中gm2為M2管的跨倒，ro1為M1管的小信號電阻 ^[1-2]^ 。

（a）單管源極跟隨器（b）FVF

Fig1. 單管源極跟隨器及FVF源級跟隨器

圖1所示簡單FVF結構無法提供較大的環路增益，這會導致較差的DC 特性，為了提高低頻增益可以采用參考文獻[3]的共源共柵FVF結構，圖2是我在項目中設計的共源共柵FVF LDO。M12為FVF環路（M14、M15、M12）提供共源共柵級，提高了環路增益，代價是FVF環路包含了三個極點（圖2中vout、D、E），因此需要采用密勒補償來保證環路穩定性。

Fig2. 共源共柵FVF LDO

此外，圖2中M13的引入是為了提高PSRR，M1和M2管的length取大可以減小輸出級的噪聲（一般噪聲貢獻較大的管子為運放的輸入對管和電流偏置管），保證穩定的前提下CL盡量取大，因為大的CL在環路帶寬不夠時可以保證輸出級有較好的負載瞬態跳變調節能力，同時可以提高高頻PSRR。

1.2 高PSRR LDO

這邊多說幾句，芯片內部電源往往通過外部DC-DC提供，DC-DC內部通常會有幾百kHz到幾十MHz的時鐘，并且可能會產生幾mV到幾十mV的電源紋波。在sub-6G FR1 5G通信中Channel Bandwidth高達100MHz，mm-Wave FR2 5G通信中Channel Bandwidth達到400MHz，因此從系統應用上講MHz的PSRR也十分重要。

圖3給出了傳統LDO和高PSRR LDO原理圖 ^[4]^ 。將密勒補償電容接在M4管的源極以提高M8管高頻PSRR（低頻PSRR比較容易，通常會卡在高頻處）。

（a）傳統LDO （b）高PSRR LDO

Fig3. 傳統LDO和高PSRR LDO

圖4 LDO結構在之前的layout講議中提到過，大電容C2的引入保證在GHz頻率處仍有-20dB的PSRR，高頻PSRR要優于圖2的共源共柵FVF結構。

Fig4. 高PSRR LDO

電源到LDO輸出端內阻越小，LDO越接近一個理想電壓源，輸出電壓越穩定，將功率管由PMOS換成NMOS可將功率管輸出阻抗由ro變為1/g m ，進一步提高PSRR^[5-6]^，如圖5所示。此外，為了減小N管的Drop電壓，功率管可采用Native管。

Fig5. 高PSRR的N管LDO

1.3 Replica LDO

基于NMOS LDO特性，Replica LDO更適用于數字負載，Replica LDO結構如圖6所示。Replica LDO分為Master和Slave級，通常由一個Master產生Vgate電壓，然后接到多個Slave級，通過合理設置電流比例及負載可以粗略復制Master的參考電壓，如果負載能接受電壓變化，這種結構問題不大。此外，這種結構輸出級工作在開環狀態且采用NMOS做功率管，負載突變時具有較小的undershoot和overshoot。

Fig6. Replica LDO

1.4 耐壓結構LDO

之前項目需要一個3.3V轉0.8V的LDO，但用的是22nm先進工藝，里面高壓管最高只能耐1.98V的電壓，拿到這個需求時，真是一萬個頭大，腦海里一堆問題，1.8V的device怎么抗3.3V的電壓啊？基準電壓、mux、buffer、LDO主體電路、triming電路通通需要耐壓結構，沒這方面的設計經驗啊。

芯片面積有10mm*10mm，外部單3.3V電源，經LDO產生0.8V的電壓做為內部的core電源而且是Capless結構。我們還聯系過法國Dolphin公司（海豚集成）幫我們做，他們是可以做，但沒有Capless結構的IP，讓他們做需要20W美金（真黑）。價格沒談就只能硬著頭皮自己做嘍，期間查了很多資料，方案也修改了多次，萬幸流片測試一把成了，因工作需要這里就不給大家透露具體細節了，基本思想就是疊管子耐高壓，有這方面需求的可以私信我。

2. 數字LDO

數字LDO原理很簡單，把模擬LDO功率管分割成許多功率開關，這些開關由移位寄存器控制，比較器每個時鐘周期比較Vout和Vref電壓并指示移位寄存器打開或關斷一個功率開關，結構框圖如圖7所示。

Fig7. 數字LDO

數字LDO可以工作在比較低的電壓下，而且方便工藝移植。由于有限的輸出精度，在穩定時數字控制碼會振蕩，這就是所謂的有限周期振蕩（Limit-Cycle Oscillation, LCO）。數字LDO環路包含了z域和s域，分析起來較復雜。

**3. **總結

①LDO的設計指標要看你的應用，如果是給數字電源供電，PSRR、noise、電源精度這些都不是特別重要，如果是給VCO供電，那就要小心了，建議PSRR在0100MHz小于-20dB@ 1MHz，noise在1MHz小于20nV/√Hz，LDO基準電壓PSRR在0100MHz小于-30dB@ 1MHz，noise在1MHz小于10nV/√Hz。

②LDO參考電壓一般需要加大的RC濾波，-3dB帶寬要小于你的環路帶寬。

③采用N管做為功率輸出級可以提高PSRR并減小undershoot和overshoot。

④Replica LDO也挺常用的我就在pll中用過，而且PSRR、undershoot和overshoot確實好，輸出電壓變化也不是那么大。