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1 引言 電源管理系統(tǒng)己成為當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個熱點，也是一個必不可缺的技術(shù)。沒有電源管理，許多市場都將不存在。電源管理可使移動電話、筆記本電腦、遙控電視、可靠的電話服務(wù)等許多市場成為現(xiàn)實。現(xiàn)如今，電子產(chǎn)品己普及到工作與生活的各個方面，其性能價格比愈來愈高，功能愈來愈強，而供電的電源電路在整機電路中也是越來越重要。 電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，就會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計和功率分配架構(gòu)等。在不同的電流負(fù)載下，如何保證LDO的穩(wěn)定性，對LDO的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)。為此本文提出了一種LDO，并采用平滑極點跟隨技術(shù)來解決不同電流負(fù)載下的極點偏移所導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題，從而提高了PSRR。同時，其過壓保護電路也較好的防止了LDO輸出供電電壓過大的問題。 2 電路設(shè)計 圖1所示是本設(shè)計中LDO的電路結(jié)構(gòu)。本LDO的基本結(jié)構(gòu)由4級構(gòu)成，主要利用誤差放大器A1、電壓放大器A2、電壓緩沖器A3、電壓調(diào)整管MPl和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路來維持VOUT的穩(wěn)定。米勒電容C1用來為電路進行頻率補償，第二級與第三級的帶寬要大，以便保證LDO處在穩(wěn)定狀態(tài)。同時也應(yīng)保證在較寬的頻帶下調(diào)整管的輸出電阻維持不變，以便得到較好的電源抑制性能。若將A2、A3、A4簡化成一個 式中，gm1是A1的跨導(dǎo)。由上式可以看到，增益帶寬不隨負(fù)載電容的變化而改變。其主極點P1可以表示成： Rol是A1的輸出電阻，類似于兩級米勒補償?shù)倪\放。一般都希望合并后的第二級放大器是一個單極點系統(tǒng)，由于米勒補償引入的極點分離，次級點P2可近似表示成： 式中，是的跨導(dǎo)，gm4是A4的跨導(dǎo)。為了讓次級點一直在輸出節(jié)點，第二級和第三級的輸出極點必須推到一個比次級點大很多的很高的頻率上。為了保證其穩(wěn)定性，次級點需要保持在輸出節(jié)點。 對于一個內(nèi)部米勒補償?shù)母咴鲆嫦到y(tǒng)，米勒補償能夠更好地在較大的負(fù)載電容范圍內(nèi)控制其穩(wěn)定性，同時，它也會提供一個更好的瞬態(tài)響應(yīng)。因為米勒電容形成的一個高頻負(fù)反饋能直接耦合到輸出，而高增益能夠得到較好的直流及負(fù)載調(diào)制。不過測試結(jié)果顯示，在負(fù)載電流大幅度變化時LDO會有50 mV左右的調(diào)整。這是因為直流負(fù)載調(diào)制的性能被bonding wire的寄生電容所限制，直流的IR壓降通過寄生電容會直接惡化直流負(fù)載調(diào)制。 LDO的輸出電流要求從0到全負(fù)載(本設(shè)計為100mA)，因此gm4也會隨負(fù)載電流而變化，導(dǎo)致次級點P2也會隨著負(fù)載電流的變化而變化。設(shè)計時可用平滑極點技術(shù)來解決這個問題，對于R和MP2串聯(lián)組成的電路，它能動態(tài)的根據(jù)負(fù)載電流的變化來進行偏置。在大負(fù)載電流狀況下，R和MP2能夠偏置更大的電流以展寬電路帶寬，同時降低輸出電阻以適應(yīng)次級點P2被推到更高的頻率下。在小負(fù)載電流狀態(tài)下，P2在較低的頻率，并將R和MP2偏置在更窄的帶寬和更大的電阻以保證其穩(wěn)定性。靜態(tài)偏置電流要盡量小，以保證電路的低功耗。 調(diào)整管的柵極可設(shè)計成對地電阻明顯大于對VDD的電阻，以使得調(diào)整管的柵極能夠跟隨電源的變化，從而得到更好的電源抑制性。為了產(chǎn)生一個較小的對VDD的電阻，可用R和M串聯(lián)接在柵極與VDD之間。如果LDO的負(fù)載電流很小，那么，調(diào)整管將工作在弱反或亞閾值區(qū)，因此，MP的Vcs小于Vth，由于MP和MP的Vcs是相等的，MP被關(guān)掉。在這種情況下，R由前級電路的N管偏置。當(dāng)LDO的負(fù)載電流很大時，調(diào)整管的Vcs增加，MP打開，并以一個很小的電阻開啟與R串聯(lián)，此時MP表現(xiàn)為一個開關(guān)。此時調(diào)整管柵極對VDD的電阻會極大地減小，同時前級偏置電流增加，帶寬也會增加。從環(huán)路穩(wěn)定性來說，它允許LDO通過動態(tài)的改變調(diào)整管柵極處的帶寬和電阻來適應(yīng)負(fù)載電流的改變，從而較好地提高電路的瞬態(tài)響應(yīng)。 3 過壓保護 當(dāng)LDO的輸出電源電壓高于一定數(shù)值時，過壓保護電路會自動啟動，并對電源電壓進行調(diào)整；而當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常范圍時，保護電路又會自動關(guān)閉。圖2為過壓保護電路結(jié)構(gòu)。需要注意的是，保護電路的調(diào)整管需要對大電流進行泄放，因而需要在版圖上對其進行特殊處理。 4 仿真結(jié)果 本芯片采用SMIC 0．18μm CMOS Logic工藝設(shè)計并流片。芯片面積為l70x280μm，靜態(tài)電流為200μA，電容采用MOM實現(xiàn)，其整體版圖如圖3所示。版圖內(nèi)大部分為功率管及米勒電容。輸出電源線的走線應(yīng)當(dāng)盡量寬，同時可用多層金屬，以減小線上電阻。 5 結(jié)束語 當(dāng)負(fù)載電流從O到100 mA時，本設(shè)計的LDO瞬態(tài)特性電壓紋波在50 mV以下，調(diào)整時間在20μs左右，同時，LDO的PSRR在低頻時可達(dá)到63d-B，100 kHz時有35 dB，完全可以滿足系統(tǒng)要求。 |
