陳恒江,周德金,何寧業(yè),汪 禮,陳珍海3,
(1.無錫中微愛芯電子有限公司,江蘇無錫 214072;2.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院,上海 200443;3.清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院,江蘇無錫 214072;4.黃山學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽黃山 245041)
以GaN和SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理特性相比于Si材料具有禁帶寬度寬、熔點高(耐高溫、抗輻射)、擊穿場強高(耐高壓)、電子飽和漂移速度快(高頻率工作)、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點,使得該類器件更適于工作在高溫、高壓和高頻的應(yīng)用場合[1-3]。GaN高電子遷移率晶體管(High-Electron-Mobility Transistor,HEMT)作為GaN功率器件的主流器件,其相比Si MOSFET器件具有顯著優(yōu)勢,因此其驅(qū)動應(yīng)用技術(shù)成為了研究熱點[4-6]。
高壓柵驅(qū)動芯片屬于典型的多電壓工作電路,包括單片集成和絕緣隔離兩種技術(shù)路線[5]。典型的絕緣隔離柵驅(qū)動芯片內(nèi)部通常采用高頻的信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行隔離區(qū)之間信號的傳輸,為實現(xiàn)高速信號傳輸,該類電路通常采用低壓器件實現(xiàn)。絕緣隔離柵驅(qū)動芯片內(nèi)部通常需要3種以上的供電電壓,因此需要多個低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator,LDO)對不同功能電路模塊進(jìn)行供電。GaN HEMT器件的超高頻率特性要求其柵驅(qū)動芯片的工作頻率達(dá)到兆赫茲以上,對其內(nèi)部給調(diào)制解調(diào)電路供電的LDO響應(yīng)速度提出極其嚴(yán)格的要求,要求LDO的瞬態(tài)響應(yīng)時間小于1μs,單通道峰值電流達(dá)5 mA(全橋驅(qū)動芯片的峰值電流將達(dá)20 mA),輸入工作電壓覆蓋3~5 V,輸出電壓為1.8 V。除上述電特性之外,嵌入式應(yīng)用對于電路面積要求更為嚴(yán)格。
本文設(shè)計了一種用于絕緣隔離型GaN HEMT器件柵驅(qū)動芯片中調(diào)制解調(diào)電路供電需求的快速響應(yīng)LDO電路。該LDO電路采用動態(tài)偏置結(jié)構(gòu)[7],通過在大負(fù)載發(fā)生時給誤差放大器增加一個額外的動態(tài)偏置結(jié)構(gòu)來加快輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)速度。仿真結(jié)果顯示該LDO的負(fù)載電流在輕載和重載之間瞬態(tài)變化時,系統(tǒng)的恢復(fù)時間分別為250 ns和460 ns,可滿足兆赫茲驅(qū)動芯片應(yīng)用要求。
本文設(shè)計的快速響應(yīng)LDO電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,其包括動態(tài)偏置誤差放大器EA電路、動態(tài)偏置產(chǎn)生電路、LDO輸出調(diào)整管MP、LDO負(fù)載檢測管MS和分壓電阻串。電阻串對LDO輸出電壓進(jìn)行檢測,反饋到放大器EA電路正輸入端,與輸入?yún)⒖茧妷篤REF進(jìn)行誤差比較,鎖定調(diào)整管MP的柵壓,形成LDO的穩(wěn)定輸出電壓Vout。與普通LDO電路不同的是,本文的誤差放大器采用動態(tài)偏置結(jié)構(gòu)。誤差放大器除了一個固定偏置IB外,還有一個額外的動態(tài)偏置IAB,與調(diào)整管并聯(lián)的電流檢測管MS檢測負(fù)載電流變化,并控制動態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生動態(tài)偏置電流IAB用于改變誤差放大器的偏置電流,改變其瞬態(tài)響應(yīng)速度。
圖1 快速響應(yīng)LDO電路結(jié)構(gòu)
當(dāng)負(fù)載電流突然增大時,LDO的輸出電壓Vout會突然降低電壓,調(diào)整管MP的柵壓也會出現(xiàn)異常波動,電流檢測管MS將會檢測到該異常波動,并控制動態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生動態(tài)偏置電流IAB,誤差放大器的總偏置電流增大,從而拓寬了帶寬,Vout的響應(yīng)時間減小,瞬態(tài)響應(yīng)得到增強。
本文設(shè)計的動態(tài)偏置產(chǎn)生電路的具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括由電流檢測管MS和電阻RS組成的負(fù)載檢測電路、快速響應(yīng)電壓比較器Comp和開關(guān)控制的偏置電流源陣列。當(dāng)負(fù)載電流突然增大時,LDO的輸出電壓Vout會突然降低,電流檢測管MS和電阻RS構(gòu)成的共源單級放大電路將會檢測到該異常波動,并控制開關(guān)陣列的開關(guān)信號S開啟動態(tài)偏置電流IAB,誤差放大器的總偏置電流增大,從而使帶寬得到拓寬,Vout的響應(yīng)時間減小,瞬態(tài)響應(yīng)得到增強。
本文設(shè)計的動態(tài)偏置誤差放大器EA電路原理如圖3所示。M71、M72、M73、M76、M77、M74、M75、M78和M79構(gòu)成一個兩級推挽輸出結(jié)構(gòu)的運算放大器,以最大程度提供寬擺幅輸出;M710和M711構(gòu)成一個寬擺幅的輸出級電路;輸出反饋信號VFB反饋連接到運放輸入端形成負(fù)反饋,并鉗位到輸入?yún)⒖茧娖絍REF。圖2中動態(tài)偏置產(chǎn)生電路產(chǎn)生的動態(tài)偏置電流IAB和基礎(chǔ)偏置電流IB均連接到M70的電流輸入端,控制偏置電壓Vb的大小。
圖2 動態(tài)偏置產(chǎn)生電路原理
圖3 動態(tài)偏置EA電路原理
快速比較器Comp電路的一種實現(xiàn)方式如圖4所示,該電路由帶復(fù)位功能的第一級比較器和第二級共源放大器組成。M26、M27、M28、M29、M210、M211、M212構(gòu)成帶復(fù)位功能的第一級比較器,M213和M214構(gòu)成第二級共源放大器。為提高比較器輸出信號Vo1的可靠性,輸出端連接了濾波電容C21和電阻R21。
圖4 比較器電路原理
當(dāng)VC1為高電平、VC2為低電平時,比較器電路正常工作。若輸入電壓Vin大于參考電壓VREF,則第一級比較器輸出為低電平,第二級輸出Vo1為高電平;若輸入電壓Vin小于參考電壓VREF,即欠壓狀態(tài),則第一級比較器輸出為高電平,第二級輸出Vo1為低電平。當(dāng)VC1為低電平、VC2為高電平時,第一級比較器輸出信號被拉低為低電平,第二級放大器輸出Vo1被鎖定為高電平。
將設(shè)計的LDO電路應(yīng)用于一款驅(qū)動電流達(dá)4 A的絕緣隔離型GaN HEMT柵驅(qū)動電路中,提供4通道調(diào)制解調(diào)電路所需要的1.8 V數(shù)字供電電壓時,得到瞬態(tài)響應(yīng)速度仿真結(jié)果如圖5所示。1 MHz數(shù)字脈沖負(fù)載響應(yīng)情況下,仿真輸入電壓為5 V時,輸出電壓在重載和輕載狀態(tài)直接切換的電壓波動為170 mV;負(fù)載電流在5 mA與20 mA之間跳變時,輸出電壓的最大下沖電壓值為74 mV,最大上沖電壓值為96 mV,并且響應(yīng)時間均小于0.4μs,滿足驅(qū)動芯片對于1 MHz數(shù)字脈沖驅(qū)動的速度要求。圖5中還對比仿真了普通偏置和本文動態(tài)偏置結(jié)果,可以看出LDO在重載情況下,403.07μs動態(tài)偏置開啟后,電壓恢復(fù)速度較普通偏置電路有明顯提升。403.77μs動態(tài)偏置關(guān)閉后,本設(shè)計的LDO恢復(fù)電壓為1.761V,而普通偏置條件下電壓為1.751 V,恢復(fù)電壓存在10 mV的改進(jìn)。本文提出的快速響應(yīng)LDO電路采用0.18μm BCD工藝設(shè)計,模塊整體版圖尺寸為150μm×300μm,最大面積開銷為輸出調(diào)整管(尺寸50μm×200μm)和濾波補償電容(尺寸50μm×300μm)。本文中動態(tài)偏置誤差放大器的電流未開啟動態(tài)偏置時,電流為350μA,動態(tài)偏置時電流為600μA,平均電流偏置為400μA。
圖5 LDO電路瞬態(tài)響應(yīng)速度仿真結(jié)果
本文設(shè)計了一種用于GaN HEMT器件柵驅(qū)動芯片的快速響應(yīng)LDO電路,并給出了詳細(xì)的電路圖和仿真結(jié)果。該電路采用動態(tài)偏置結(jié)構(gòu),通過在大負(fù)載發(fā)生時給誤差放大器增加一個額外的動態(tài)偏置結(jié)構(gòu)來加快輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)速度。仿真結(jié)果顯示LDO瞬態(tài)響應(yīng)時間小于0.5μs,可滿足高頻GaN HEMT器件柵驅(qū)動芯片的應(yīng)用要求。