1 引言
隨著集成電路規(guī)模的發(fā)展, 電子設(shè)備的體積,、重量和功耗越來越小,, 這對電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來越高的要求,。而隨著片上系統(tǒng)( SOC) 的不斷發(fā)展,, 單片集成的LDO 線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。對于片內(nèi)的LDO,,最擔(dān)心的是寄生電容過大引起不穩(wěn)定,,論文針對片內(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的這款LDO,,能保證在uF 級別的寄生電容范圍內(nèi)都可以正常工作,畢竟寄生電容再大也不至于是μF 級別的,。功耗是LDO 線性穩(wěn)壓器的重要指標(biāo)之一,,一般的LDO 功耗都在幾十μA 以上,例如文獻(xiàn)[2]中電路的靜態(tài)電流為38μA,,文獻(xiàn)[3]中靜態(tài)功耗高達(dá)65μA,, 而本文的靜態(tài)功耗做到10μA 左右,不僅功耗低,,本文中第二級靠電阻的電流關(guān)系提供了一個小增益級,,并且提高了整個LDO的帶寬。
2 LDO 電路組成原理與關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)
2.1 電路基本工作原理
圖1 是LDO 線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖,, 由下面幾個部分組成:基準(zhǔn)電壓源(Vref),、誤差放大器、同相放大器,、反饋電阻網(wǎng)絡(luò),、調(diào)整管等。其中基準(zhǔn)電壓源輸出參考電壓Vref, 要求它精度高,, 溫漂小,。誤差放大器將輸出反饋回來的電壓與基準(zhǔn)電壓Vref 進(jìn)行比較, 并放大其差值,,其經(jīng)過同相放大器來控制調(diào)整功率管的狀態(tài),, 因而使輸出穩(wěn)定。在這里C1 是前饋電容,,可以提高負(fù)載調(diào)整率,,并增加了一個左零點(diǎn)補(bǔ)償,Cff提供一個零點(diǎn)補(bǔ)償,。第一級放大器就是一個差分對,,和大多數(shù)誤差放大器結(jié)構(gòu)一樣,第二級為同相放大級,,靠電阻的電流關(guān)系提供一個小增益級,,并控制帶寬。相對于普通結(jié)構(gòu)而言的,,如果靠運(yùn)放直接驅(qū)動功率管,,那帶寬就被功率管的寄生電容和運(yùn)放輸出阻抗和增益決定了,,而這個結(jié)構(gòu)的增益和輸出阻抗,,相比運(yùn)放小很多,帶寬自然就提高很多,。表1 為該LDO 的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo),。
圖1 LDO 線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)示意圖
表1 LDO 的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)
2.2 電路組成與設(shè)計(jì)
?。?)調(diào)整管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):MOS 型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管是電壓驅(qū)動的, 能大大降低器件消耗的靜態(tài)電流,, 而且其較小的導(dǎo)通阻抗使得漏失電壓也比較低,,從而提高了電源的轉(zhuǎn)換效率[4]。根據(jù)調(diào)整管的平方率關(guān)系式以及設(shè)計(jì)指標(biāo)Vdropout ≈ 200mV,,可以計(jì)算出調(diào)整管的寬長比,, 結(jié)合調(diào)整管的柵極寄生電容以及工藝的要求,在重載情況下考慮調(diào)整管需工作在線性區(qū),, 將調(diào)整管的寬長設(shè)計(jì)為:W=6000μm,,L=0.5μm。
?。?)電阻R1 與R2 選擇:輸出電壓由反饋網(wǎng)絡(luò)決定,,根據(jù)VOUT =VREF[(R1+R2)/R1],當(dāng)選定的VREF=1.25V,,R1 = 625KΩ,,那么R2 = 625KΩ。
2.3 誤差放大器(EA)設(shè)計(jì)
為保證低功耗的前提下I1設(shè)為5μA,I2設(shè)為3μA,,在小的偏置電流以及較大的負(fù)載的情況下為了保證能得到不小于25dB 的增益,,把RF設(shè)計(jì)為500K。由于同相放大器的增益隨負(fù)載的增加而減小,,在設(shè)計(jì)中需要適當(dāng)增加偏置電流I1 和增加RF的值[7],。而帶寬受M2 的跨導(dǎo)和調(diào)整管的W/L 的影響,需要增加M2 的W/L 以及偏置電流I2,。圖中M1 的寬長比為4/1, 這里取W1=30μm,L1=3μm,,M2 的寬長比為110/1,取W2=110μm,L2=1μm。仿真結(jié)果如圖5 所示,。
圖5 同相放大器的增益
3 LDO 整體仿真結(jié)果與討論
我們基于HHNEC 0.35um BCD 工藝下,,采用cadence 和Hspice 仿真軟件對整體電路做仿真,如圖6 所示為LDO 環(huán)路穩(wěn)定性仿真曲線,。
(a)負(fù)載電流為50mA 仿真曲線
(b)負(fù)載電流為0 時(shí)仿真曲線
圖6 LDO 環(huán)路穩(wěn)定性仿真曲線
?。╝) 圖為負(fù)載電流為50mA 時(shí),LDO 環(huán)路增益為50dB,、單位增益帶寬為470KHZ,、相位裕度為74degree。(b)圖為負(fù)載電流為0 時(shí),,LDO 環(huán)路增益為63dB,、單位增益帶寬為1KHZ、相位裕度為87degree,。圖7 給出了該LDO 的線性調(diào)整率曲線,,仿真條件為C L=1μF, 由仿真曲線可以看出該LDO 的線性調(diào)整率為:
圖7 CL=1μF 線性調(diào)整率曲線
圖8 給出了該LDO 的負(fù)載調(diào)整率曲線,,仿真條件為CL=1μF, 由仿真曲線可以看出該LDO 的負(fù)載調(diào)整率為:
圖8 CL=1μF 負(fù)載調(diào)整率曲線
圖9 給出了該LDO 的電源抑制比仿真曲線,仿真條件為IL=1mA,。從該曲線可以看出,,該LDO 的PSRR 在1KHZ時(shí)為- 60dB。
圖9 電源抑制比仿真曲線
4 結(jié)論
本文提出的這款LDO 線性穩(wěn)壓器,,能保證在μF 級別的寄生電容范圍內(nèi)都可以正常工作,。
該LDO 的靜態(tài)電流低至10μA,文中同相放大器的引入,提高了整個LDO 的帶寬,。從仿真結(jié)果可以看出,,在負(fù)載電流Iload=50mA 時(shí),帶寬為470KHz,。
該LDO 其它各方面指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求,。