1 引言
随着集成电路规模的发展, 电子设备的体积、重量和功耗" title="功耗">功耗越来越小, 这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。而随着片上系统( SOC) 的不断发展, 单片集成的LDO" title="LDO">LDO线性稳压" title="线性稳压">线性稳压器的应用也越来越广泛[1]。对于片内的LDO,最担心的是寄生电容过大引起不稳定,论文针对片内应用而设计的这款LDO,能保证在uF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作,毕竟寄生电容再大也不至于是μF 级别的。功耗是LDO 线性稳压器的重要指标之一,一般的LDO 功耗都在几十μA 以上,例如文献[2]中电路的静态电流为38μA,文献[3]中静态功耗高达65μA, 而本文的静态功耗做到10μA 左右,不仅功耗低,本文中第二级靠电阻的电流关系提供了一个小增益级,并且提高了整个LDO的带宽。
2 LDO电路组成原理与关键模块设计
2.1 电路基本工作原理
图1 是LDO 线性稳压器的结构框图, 由下面几个部分组成:基准电压源(Vref)、误差放大器、同相放大器、反馈电阻网络、调整管等。其中基准电压源输出参考电压Vref, 要求它精度高, 温漂小。误差放大器将输出反馈回来的电压与基准电压Vref 进行比较, 并放大其差值,其经过同相放大器来控制调整功率管的状态, 因而使输出稳定。在这里C1 是前馈电容,可以提高负载调整率,并增加了一个左零点补偿,Cff提供一个零点补偿。第一级放大器就是一个差分对,和大多数误差放大器结构一样,第二级为同相放大级,靠电阻的电流关系提供一个小增益级,并控制带宽。相对于普通结构而言的,如果靠运放直接驱动功率管,那带宽就被功率管的寄生电容和运放输出阻抗和增益决定了,而这个结构的增益和输出阻抗,相比运放小很多,带宽自然就提高很多。表1 为该LDO 的主要设计参数和性能指标。
图1 LDO 线性稳压器结构示意图
表1 LDO 的设计参数和性能指标
2.2 电路组成与设计
(1)调整管结构设计:MOS 型线性稳压器的调整管是电压驱动的, 能大大降低器件消耗的静态电流, 而且其较小的导通阻抗使得漏失电压也比较低,从而提高了电源的转换效率[4]。根据调整管的平方率关系式以及设计指标Vdropout ≈ 200mV,可以计算出调整管的宽长比, 结合调整管的栅极寄生电容以及工艺的要求,在重载情况下考虑调整管需工作在线性区, 将调整管的宽长设计为:W=6000μm,L=0.5μm。
(2)电阻R1 与R2 选择:输出电压由反馈网络决定,根据VOUT =VREF[(R1+R2)/R1],当选定的VREF=1.25V,R1 = 625KΩ,那么R2 = 625KΩ。
2.3 误差放大器(EA)设计
误差放大器电路原理图如图2 所示。对该EA部分功耗(3μA)以及低的失调电压的要求,根据σ2(VT)= A2VT/ WL+S2VTD2以及MOS 管的平方率关系[5],设计出各MOS 管的尺寸,M1 和M2 的宽长比为41/2, M3 和M4 的宽长比为4/1,M5 和M6 的宽长比为2/1, 我们这里取W1=W2=82μm,L1=L2=4μm;W3=W4=12μm,L3=L4=3μm;W5=W6=8μm,L5=L6=4μm。实际上,在EA 这部分为了让这一级增益Ger 不小于10dB 且保证有足够的相位裕度,将反馈电容CFF设计为20.8pF,把C1 设计为1.5pF。该部分的仿真结果如图3 所示。结果表明,该设计在保证稳定的前提下Ger 为11dB[6]。
图2 EA 与反馈网络
图3 EA 的环路增益
2.4 同相放大器设计
同相放大器电路结构如图4 所示。这一级主要是获得整个环路最大的增益Gnon- inv=25dB~30dB。
图4 同相放大器结构为保证低功耗的前提下I1设为5μA,I2设为3μA,在小的偏置电流以及较大的负载的情况下为了保证能得到不小于25dB 的增益,把RF设计为500K。由于同相放大器的增益随负载的增加而减小,在设计中需要适当增加偏置电流I1 和增加RF的值[7]。而带宽受M2 的跨导和调整管的W/L 的影响,需要增加M2 的W/L 以及偏置电流I2。图中M1 的宽长比为4/1, 这里取W1=30μm,L1=3μm,M2 的宽长比为110/1,取W2=110μm,L2=1μm。仿真结果如图5 所示。
图5 同相放大器的增益3 LDO 整体仿真结果与讨论
我们基于HHNEC 0.35um BCD 工艺下,采用cadence 和Hspice 仿真软件对整体电路做仿真,如图6 所示为LDO 环路稳定性仿真曲线。
(a)负载电流为50mA 仿真曲线
(b)负载电流为0 时仿真曲线
图6 LDO 环路稳定性仿真曲线
(a) 图为负载电流为50mA 时,LDO 环路增益为50dB、单位增益带宽为470KHZ、相位裕度为74degree。(b)图为负载电流为0 时,LDO 环路增益为63dB、单位增益带宽为1KHZ、相位裕度为87degree。图7 给出了该LDO 的线性调整率曲线,仿真条件为CL=1μF, 由仿真曲线可以看出该LDO 的线性调整率为:
图7 CL=1μF 线性调整率曲线
图8 给出了该LDO 的负载调整率曲线,仿真条件为CL=1μF, 由仿真曲线可以看出该LDO 的负载调整率为:
图8 CL=1μF 负载调整率曲线
图9 给出了该LDO 的电源抑制比仿真曲线,仿真条件为IL=1mA。从该曲线可以看出,该LDO 的PSRR 在1KHZ时为- 60dB。
图9 电源抑制比仿真曲线
4 结论
本文提出的这款LDO 线性稳压器,能保证在μF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作。
该LDO 的静态电流低至10μA,文中同相放大器的引入,提高了整个LDO 的带宽。从仿真结果可以看出,在负载电流Iload=50mA 时,带宽为470KHz。
该LDO 其它各方面指标都满足设计要求。