鄒靜,楊維明,蔣師,劉雪

(湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430062)

對采用電池供電的便攜式設(shè)備而言,高性能、高效率的電源管理芯片必不可少.在電源管理芯片中,低壓差線性穩(wěn)壓器( low dropout voltage regulator,LDO)通常位于DC-DC變換器之后,為模擬電路等對電源噪聲和穩(wěn)定度要求較高的電路提供電源電壓[1].因此,電源電壓抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)和噪聲是LDO的兩個重要指標(biāo).近年來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了許多提高LDO PSRR的技術(shù).比如,在LDO的輸入端增加RC濾波電路、兩個LDO級聯(lián)[2]、利用NMOS和PMOS級聯(lián)構(gòu)成功率管[3]等.這些方法簡單實用,但會增加LDO的最小壓降,降低LDO的效率.為提高效率,文獻(xiàn)[4]用電荷泵驅(qū)動NMOS功率管,但引入電荷泵會增加設(shè)計復(fù)雜度,增加輸出噪聲.本文中針對這種需求設(shè)計了低噪聲、高PSRR的LDO線性穩(wěn)壓器,并設(shè)計出合適的頻率補(bǔ)償方案,保證整體電路的穩(wěn)定性[1].

1 LDO的系統(tǒng)架構(gòu)及電路設(shè)計

圖1 PMOS功率管型LDO線性穩(wěn)壓器

1.1LDO系統(tǒng)的噪聲分析基本的LDO線性穩(wěn)壓器包括誤差放大器(error amp)、調(diào)整功率元件(pass element)、基準(zhǔn)(voltage reference)與偏置電路以及反饋電阻網(wǎng)絡(luò)[2].圖1為PMOS功率管型LDO線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)圖.

(1)

通常情況下,R1與R2的比值固定,所以優(yōu)化噪聲的有效方法是設(shè)計低噪聲的帶隙基準(zhǔn)源.

圖2 PMOS型LDO的PSRR交流小信號模型

1.2LDO系統(tǒng)的PSRR分析基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vref以及電阻反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的反饋系數(shù)直接影響該LDO線性穩(wěn)壓器的輸出.只要保證反饋電阻的高度匹配和基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定,就可以實現(xiàn)恒定的LDO輸出電壓.LDO線性穩(wěn)壓器的電源抑制比特性反映了輸出電壓對輸入電源電壓的小范圍波動的抑制能力.圖2是對PMOS作為功率管的LDO的PSRR小信號交流等效模型.

LDO的電源抑制比的數(shù)學(xué)表達(dá)式近似為：

(2)

(3)

(4～5)

(6)

(7)

式中：G1=(Roa)-1、G2=(Rout)-1,AVOTA(0)、BWOTA、GBW分別為誤差運(yùn)算放大器的直流增益、帶寬以及LDO的增益帶寬積.通過PSRR的零極點分析,可以得出以下結(jié)論：

(1)誤差運(yùn)算放大器的直流增益AVOTA(0)與低頻段的PSRR成正比,但是高增益的放大器將會使單位增益頻率變大,過多的極點包括在單位增益帶寬之內(nèi)可能導(dǎo)致相位裕度偏低,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性.所以穩(wěn)定性和PSRR之間要做一個折衷考慮；

(2)PSRR的第一個零點Z1和放大器的帶寬成正比；第一個極點P1與環(huán)路的增益帶寬積成正比,它們應(yīng)盡可能靠近,以補(bǔ)償相位的變化,但它們同樣影響環(huán)路的穩(wěn)定性,必須折衷考慮；

(3)PSRR的第二個極點P2與輸出電容Cout成反比,雖然增大輸出電容可以將第二個極點向低頻方向推進(jìn),來獲得較好的PSRR特性, 但該方法同樣可能會導(dǎo)致整個環(huán)路的不穩(wěn)定,所以輸出電容的大小必須和PSRR折衷考慮.

1.3核心電路設(shè)計LDO的核心電路由PTAT電流源,誤差放大器,功率管構(gòu)成.如圖3所示.

1.3.1 PTAT電流源設(shè)計 由啟動電路和正溫度系數(shù)電流源兩部分組成.出于低功耗設(shè)計的考慮,盡量在LDO正常工作的時候?qū)与娐逢P(guān)閉.如圖3所示,該結(jié)構(gòu)的啟動電路由晶體管M15～M19,以及電容C1、C2組成.當(dāng)芯片上電時,C1未被充電,M19的柵極電位為低電位,此時M19導(dǎo)通,并將M13、M14的柵極電位拉高,破壞其靜態(tài)平衡點,使PATA電流源正常啟動.此時,由M15～M18構(gòu)成的兩級反相器對C1充電,當(dāng)C1上極板的電位被拉高以后,M19截止關(guān)斷.整個啟動電路完全關(guān)閉,不影響PTAT電流源的正常工作[3].

圖3 LDO的核心電路圖

1.3.2 誤差運(yùn)算放大器設(shè)計 誤差放大器的電路組成如圖3所示.這是一個高增益、高PSRR的兩級放大OTA.主要由三部分構(gòu)成：第一級放大器Gm1、第二級放大器Gm2及穩(wěn)壓器頻率補(bǔ)償電路.第一級放大器Gm1是差分對輸入的對稱性O(shè)TA,由晶體管M1、M2、M3、M4、M5以及電阻R4、R5組成,對穩(wěn)壓器輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓的差模信號進(jìn)行放大；第二級放大器Gm2由晶體管M8、M9組成,用來提高誤差放大器的開環(huán)增益,也可減小放大器的輸出阻抗(可增大帶寬)；頻率補(bǔ)償電路由C3、R3組成,由密勒效應(yīng)使得極點分離,并通過R3的調(diào)整,產(chǎn)生一個左半軸的零點做頻率補(bǔ)償[4].由圖可計算出誤差放大器的性能參數(shù).

(8)

第一級輸出阻抗為：Ro1≈ro5

(9)

第二級增益為：A2≈gm9(ro9‖ro8)

(10)

第二級輸出阻抗為：Ro2≈ro8‖ro9

(11)

(12)

(13～14)

式中功率管自身寄生的柵極電容Cpar≈Cgs+Cgd；根據(jù)式(12)～(14)對相位裕度和環(huán)路增益進(jìn)行折衷,從而優(yōu)化環(huán)路的幅頻特性和相頻特性[5].

1.3.3 基準(zhǔn)與偏置電路設(shè)計 基準(zhǔn)電壓源是LDO的核心模塊之一,LDO輸出電壓的線性調(diào)整率、電源抑制比、溫度特性等相關(guān)指標(biāo)均與基準(zhǔn)電壓有關(guān).因此設(shè)計一種電路結(jié)構(gòu)簡單而又具有良好性能的基準(zhǔn)產(chǎn)生電路是非常關(guān)鍵的.從低功耗的角度考慮,盡量減小基準(zhǔn)電路所消耗的靜態(tài)電流的同時保證基準(zhǔn)電壓具有較好的溫度系數(shù)、電源抑制比、線性調(diào)整率等要求.

本文中設(shè)計的基準(zhǔn)電壓源電路如圖3所示,由晶體管M11、M12、M13、M14,電阻R6、R7、R8以及兩只PNP型雙極型管Q1、Q2組成.

基準(zhǔn)源輸出端的電壓噪聲為：

(15)

又因為帶隙基準(zhǔn)源應(yīng)滿足零溫度系數(shù)：

(16)

其中M為兩只PNP型雙極晶體管的集電極電流之比,進(jìn)一步簡化得：

(17)

2 LDO 整體電路仿真

本文中基于BCD 0.5 μm CMOS工藝,采用cadence和Hspice對整體電路做仿真,并對各仿真波形做出詳細(xì)的分析,若仿真條件未作說明,則默認(rèn)是在tt工藝腳下,電源電壓為3.3 V時,25 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行的.LDO線性穩(wěn)壓器輸出電壓的溫度特性曲線如圖4所示.仿真條件：負(fù)載電流為300 mA,Vin=3.3 V,工作溫度從-40 ℃變化到85 ℃.

圖4 LDO的輸出電壓的溫度特性曲線(tt)

圖5 LDO線性調(diào)整率變化曲線(tt)

(18)

(19)

LDO穩(wěn)壓器的負(fù)載調(diào)整率仿真結(jié)果如圖6所示.仿真條件：輸入電壓為3.3 V,負(fù)載電流從0線性變化到300 mA,溫度為25 ℃.從圖中可以看出輸出電壓從1.826 1 V變化到了1.820 3 V,因而電路的負(fù)載調(diào)整率為：

(20)

圖6 LDO負(fù)載調(diào)整率的仿真曲線(tt)

圖7 LDO的PSRR特性曲線(typical corner)

LDO線性穩(wěn)壓器整體電路的PSRR特性曲線如圖7所示.仿真條件：輸入電壓3.3 V,電流為300 mA,輸出電壓1.8 V,負(fù)載電容1 μF.由圖可得,在Typical工藝腳下,低頻的PSRR約為-75 dB；高頻的PSRR約為-20 dB左右.該電路對電源電壓的波動抑制能力符合設(shè)計要求.

3 測試結(jié)果

圖8 芯片的顯微照片

圖8所示為該芯片的顯微照片.對樣片(sample)分別在空載、負(fù)載電流100 mA及滿載(300 mA)3種情況,及3種輸入電壓(2.5 V、3.3 V、5.1 V)和3種工作溫度條件(-20 ℃、27 ℃、85 ℃)下進(jìn)行測試,結(jié)果顯示,該電路有較寬的輸入電壓范圍,輸出電壓為1.8 V.

圖9所示為空載情況下,Vin=3.3 V時,LDO輸出電壓隨溫度的變化曲線；圖10所示為滿載情況下,Vin=2.5 V時,LDO輸出電壓隨溫度的變化曲線.對5個樣片在-27 ℃條件下進(jìn)行電源電壓抑制比的測試,得出其均值曲線如圖11所示.從圖中可以看出,LDO線性穩(wěn)壓器的PSRR在3.25 MHz頻率以下,最低約為-45 dB@1 MHz,最高約為-75 dB@217 Hz.圖12所示為輸出電壓噪聲測試曲線.結(jié)果顯示,在10 Hz頻率以下的輸出電壓閃爍噪聲約為0.78 μV(P-P),在10 Hz至100 kHz頻率范圍內(nèi)輸出電壓噪聲約為0.1 μV(RMS),滿足設(shè)計要求.

圖9 空載時輸出電壓隨輸入電壓和溫度的變化

圖10 滿載時輸出電壓隨輸入電壓和溫度的變化

圖11 -27 ℃下PSRR測試曲線(均值)

4 結(jié)論

圖12 輸出電壓噪聲測試曲線

本文中設(shè)計的這款LDO線性穩(wěn)壓器,有較寬的輸入電壓范圍(2.5～5.1 V),輸出電壓1.8 V,高電源電壓抑制比(PSRR≈-66 dB@1 kHz),該LDO的負(fù)載電流為300 mA(滿載)、靜態(tài)電流IQ低至μA級,具有低功耗和低噪聲的特點,且芯片面積小(die size：X=836 μm,Y=796 μm)、外圍電路簡單.從芯片的測試數(shù)據(jù)來看,本文中設(shè)計的LDO線性穩(wěn)壓器能滿足低功耗、低噪聲和高穩(wěn)定性的指標(biāo)設(shè)計要求.

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