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        22 nm低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計

        2022-03-04 00:18:14郭蘋蘋
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年4期
        關(guān)鍵詞:功率管波形圖環(huán)路

        郭蘋蘋

        (上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 200090)

        集成電路的核心器件特征尺寸越來越小,傳統(tǒng)體硅器件的短溝道效應(yīng)變得越來越不可控,文獻[1]中提出,當(dāng)工藝節(jié)點進入到28 nm后,全耗盡絕緣體上硅器件憑借其優(yōu)越的柵極控制能力和較低的漏電流,成為了替代體硅器件的一種選擇。該器件為平面型晶體管結(jié)構(gòu),具有超薄頂層硅(SOI)和埋氧化層(BOX)結(jié)構(gòu),BOX的存在使FDSOI器件有了更多的優(yōu)勢,主要包括4個方面:(1)襯底電容可忽略不計,因此可降低電源電壓,降低功耗;(2)沒有閂鎖效應(yīng)(Latch-up),電路不需要特殊布局;(3)具有理想的器件隔離,器件布局更加緊密;(4)具有較低的漏電流,可降低功耗。

        Global Foundries 22 nm FDSOI工藝是目前較先進的制造工藝,使用全耗盡絕緣體上硅器件,具有射頻、體偏壓和集成的優(yōu)點,為減小電路尺寸,提高電路性能,設(shè)計一款22 nm高性能低壓差線性穩(wěn)壓器是必要的;低壓差線性穩(wěn)壓器以其功耗低、壓差低、面積小和成本低等特點,被廣泛用于各種電子設(shè)備中[2]。本文基于該先進工藝,設(shè)計了一款輸入電源電壓為1.8 V、輸出電壓為0.8 V、負(fù)載電流范圍為1μA~30 mA的可以為低壓低功耗模塊提供電源的低壓差線性穩(wěn)壓器。

        1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

        本次設(shè)計的LDO電路的原理如圖1所示。

        圖1 LDO整體架構(gòu)圖

        LDO利用負(fù)反饋系統(tǒng)對輸出電壓進行實時控制,輸出穩(wěn)定的直流電壓的電源模塊,主要由基準(zhǔn)電路(Reference)、誤差放大器(EA)、功率器件(Pass Element)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[3],實際工程中根據(jù)需求一般還會包括柵極驅(qū)動、頻率補償、過溫保護與過流保護等其他模塊[4]。

        在LDO電路中,帶隙基準(zhǔn)電壓源的作用是提供穩(wěn)定的參考電壓,帶隙基準(zhǔn)電壓源是將正溫度系數(shù)的電壓與負(fù)溫度系數(shù)的電壓以不同的權(quán)重相加得到零溫度系數(shù)的電壓[5];誤差放大器將基準(zhǔn)參考電壓VREF和反饋電壓VFB進行比較得到誤差信號,并將誤差信號放大后控制功率管的柵極電壓,改變流過功率管發(fā)電流大小,控制LDO輸出電壓的大??;采樣電阻比例的調(diào)整可實現(xiàn)不同的電壓輸出,一般采樣電阻的阻值都較大,可降低功耗;功率管決定LDO的驅(qū)動能力,同時用來調(diào)節(jié)輸出電壓的變化讓其維持在一個恒定不變的值[6]。

        LDO上電完成后電路啟動,帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)參考電壓VREF,反饋網(wǎng)絡(luò)通過采樣為誤差放大器提供反饋電壓VFB,VFB與采樣電阻R1和R2的關(guān)系如式(1)所示:

        當(dāng)VFB小于VREF時,通過環(huán)路控制作用,功率管的柵極電壓被拉低,使更多的電流流過負(fù)載,提高輸出電壓;當(dāng)VFB大于VREF時,功率管的柵極電壓被抬高,限制流過負(fù)載的電流大小,降低輸出電壓;當(dāng)VFB等于VREF時,反饋系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)[7],此時,輸出電壓不變。

        2 LDO電路設(shè)計

        2.1 誤差放大器

        LDO電路中的誤差放大器采用兩級運放結(jié)構(gòu),相比于折疊運放、套筒運放,兩級運放的開環(huán)增益更高,功耗和噪聲較低[8]。如圖2所示,第一級為典型的電流鏡負(fù)載差分放大器結(jié)構(gòu),由NM0、NM1、NM2、PM0和PM1 5個管子構(gòu)成,用來提供更高的增益,第二級采用NMOS輸入共源放大結(jié)構(gòu),由PM2、NM3構(gòu)成,用于放大輸出擺幅[9]。

        圖2 兩級運算放大器

        第一級差分放大增益AV1:

        式(2)中,gm1為NM1管子的跨導(dǎo),rp1為PM1管子的輸出電阻,rN1為NM1管子的輸出電阻。

        第二級共源級放大器的增益AV2:

        式(3)中,gm3為NM3管子的跨導(dǎo),rp2為PM2管子的輸出電阻,rN3為NM3管子的輸出電阻。

        兩級運放的增益AV:

        兩級運放的增益在低頻處可達60 dB以上。

        2.2 功率管

        PMOS功率管可以使功率級作為一個共源放大器結(jié)構(gòu),為LDO環(huán)路提供增益,同時,PMOS管漏源電壓VDS為LDO的壓差,當(dāng)PMOS管處于飽和區(qū)時,很小的漏源電壓VDS就可以產(chǎn)生足夠的輸出電流[10]。若功率管采用NMOS管,NMOS管構(gòu)成的是源級跟隨器結(jié)構(gòu),不能為LDO環(huán)路提供增益,LDO的壓差是NMOS管的柵源電壓VGS,LDO的壓差大于NMOS管的閾值電壓VTH才能輸出較大的電流,這個數(shù)值通常很大。所以本文采用PMOS管作為功率管。

        最大負(fù)載電流、版圖面積,漏失電壓都影響功率管尺寸的大小,PMOS功率管尺寸的選擇不僅要滿足所需要的負(fù)載電流,而且要盡可能減小功率管的尺寸來減小版圖面積,同時可以減小功率管的寄生電容,使環(huán)路更容易穩(wěn)定,功率管寬長比的計算公式為:

        式(5)中,IOUT,MAX為輸出負(fù)載電流最大值,μPOW為載流子的遷移率,Cox為單位面積柵氧化層電容,Vdsat為過驅(qū)動電壓。

        3 電路仿真

        基于Global Foundries 22 nm FDSOI工藝完成LDO設(shè)計,在該工藝下,采用Cadence中的Spectre仿真工具對該電路的功能進行了仿真。

        3.1 LDO負(fù)載調(diào)整率仿真

        負(fù)載調(diào)整率是指當(dāng)輸出負(fù)載電流變化時,LDO輸出電壓仍然能夠保持穩(wěn)定的能力,負(fù)載調(diào)整率越小越好。負(fù)載調(diào)整率仿真波形圖如圖3所示,當(dāng)輸出負(fù)載電流從1μA掃描到30 mA,LDO輸出電壓從800.62 mV變化到799.57 mV,變化了約1.1 mV,誤差很小,根據(jù)負(fù)載調(diào)整率的公式可以計算出該LDO的負(fù)載調(diào)整率:

        圖3 LDO負(fù)載調(diào)整率仿真波形圖

        3.2 LDO線性調(diào)整率仿真

        線性調(diào)整率反應(yīng)的是LDO的低頻電源增益,是描述當(dāng)直流輸入電源電壓變化時,LDO是否能抑制這種變化仍然保持輸出電壓的穩(wěn)定。在負(fù)載電流ILoad=20 mA,溫度為25℃的情況下進行仿真,仿真波形圖如圖4所示,從圖中可看出,當(dāng)電源電壓從1.1 V變化到2 V時,LDO的輸出電壓變化范圍很小,約為1.7 mV,由此可計算出LDO的線性調(diào)整率:

        圖4 LDO線性調(diào)整率仿真波形圖

        3.3 LDO電源電壓抑制比(PSRR)特性仿真

        電源電壓抑制比是描述輸出電壓隨電源電壓變化而變化的特性,電源電壓抑制比越高,表明該LDO的抑制紋波能力越強。仿真結(jié)果如圖5所示,頻率從1 Hz掃描到1 GHz,在頻率為10 Hz時,對應(yīng)的PSRR為61.26 dB,在10 MHZ對應(yīng)最低點,可達到51.47 dB,在高頻時PSRR會略有下降,這是因為高頻時運放對電路有抑制作用。

        圖5 LDO電源電壓抑制比仿真波形圖

        3.4 LDO環(huán)路穩(wěn)定性仿真

        LDO系統(tǒng)是一個負(fù)反饋系統(tǒng),環(huán)路穩(wěn)定性對于LDO是極其重要的,一般要求相位裕度要在60 dB以上。因此需對其穩(wěn)定性進行仿真,在負(fù)載電流為30 mA的條件下,LDO的stb仿真波形如圖6所示;在負(fù)載電流1μA的條件下,仿真波形圖如圖7所示。

        根據(jù)圖6和圖7的仿真結(jié)果,當(dāng)負(fù)載電流為1μA時,LDO的低頻增益約為100 dB,相位裕度為86.31°,環(huán)路穩(wěn)定;當(dāng)負(fù)載電流為30 mA時,LDO的低頻增益約為69.68 dB,相位裕度為76°,環(huán)路穩(wěn)定;隨著輸出負(fù)載電流的增大,相位裕度下降,低頻增益降低,在1μA~30 mA時,相位裕度在76°~86.31°,低頻增益在69.68~100 dB,因此,在1μA~30 mA時,環(huán)路都有足夠的低頻增益且都保持穩(wěn)定。

        圖6 負(fù)載電流30 mA時LDO穩(wěn)定性仿真波形圖

        圖7 負(fù)載電流1μA時LDO穩(wěn)定性仿真波形圖

        4 結(jié)論

        本文基于Global Foundries 22 nm FDSOI先進工藝設(shè)計了一款22 nm的低壓差線性穩(wěn)壓器,該LDO結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),性能良好,通過將傳統(tǒng)的五管運算放大器與共源放大器級聯(lián)組成了LDO的誤差放大器,該誤差放大器具有較高的增益且穩(wěn)定性好,仿真結(jié)果表明:在溫度為25℃,輸入電源電壓為1.8 V,LDO電路穩(wěn)定輸出電壓為800 mV,電路在1μA~30 mA都有較好的穩(wěn)定性,并且在負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率和電源電壓抑制比方面都表現(xiàn)良好。

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