0 引言

    如今，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，芯片集成度也越來越高，同時為其供電的電源管理芯片的設(shè)計也愈發(fā)復(fù)雜^[1]。目前主流上有許多電源管理方案，而對于應(yīng)用在降壓場合，且輸入電壓與輸出電壓較為接近時，LDO穩(wěn)壓器則成為了首要選擇^[2-3]。本文基于0.18 μm BCD工藝，設(shè)計一種應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品中為其供電的高性能的LDO方案，該LDO的負載電容集成在芯片內(nèi)部，無需片外電容，可以在外部封裝中減少一個管腳^[2]；同時可以集成在SoC系統(tǒng)中，無需外接分立元件^[3-4]。

1 LDO設(shè)計原理

    本文研究的LDO設(shè)計原理如圖1所示，主要包括帶隙電壓基準(zhǔn)電路、電壓比較電路、補償電路、功率管以及調(diào)整電阻^[1]。

    如圖1所示，帶隙基準(zhǔn)電壓模塊產(chǎn)生一個與溫度無關(guān)的穩(wěn)定的電壓V_ref輸出給電壓比較器正端，而電壓比較器負端接在調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)形成負反饋。其電壓比較器的輸出電壓接在開關(guān)管M1的柵極，其目的是通過用帶隙基準(zhǔn)電壓V_ref和反饋電壓V_fb來控制M1管的開啟和關(guān)斷，進而控制整個電路的開啟和關(guān)斷^[4]。

    同時，當(dāng)M1管開啟時，調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)將輸入電壓V_IN進行分壓得到反饋電壓V_fb，并將其輸入到電壓比較器的負端。故電壓比較器的正端是帶隙基準(zhǔn)電壓V_ref，負端是調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)反饋電壓V_fb，當(dāng)V_fb電壓值接近或遠大于V_ref時，電壓比較器的輸出為低電平。此時，M1管的柵極電壓為低電平，遠小于M1管的源端電位V_IN，M1導(dǎo)通。當(dāng)輸入電壓V_IN為定值時，且M1管處于飽和區(qū)時，其流過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)的電流基本不變，而V_fb的電壓值也基本不變，則輸出電壓V_OUT的電壓也基本不變，從而實現(xiàn)將V_IN的高電平轉(zhuǎn)換成V_OUT的低電平為內(nèi)部模塊供電的目的。

    而V_IN的電壓值為變量時，對于M1管來說，當(dāng)V_IN的值在一定范圍內(nèi)滿足M1管處于飽和區(qū)的電壓條件時，其結(jié)果與上述結(jié)果相同；若V_IN的電壓值迫使M1進入線性區(qū)，則隨著V_IN的升高，其電流則會增大，V_OUT會隨著電流的增大而增大。此時V_fb的值也會增大，通過負反饋網(wǎng)絡(luò)將M1柵極電壓降低，使M1進入飽和區(qū)，將V_OUT、V_fb的電壓值維持不變。

2 具體電路設(shè)計

2.1 帶隙基準(zhǔn)

    帶隙基準(zhǔn)主要是用兩個雙極型晶體管的V_BE(負溫度系數(shù))以及V_BE的差值ΔV_BE(正溫度系數(shù))的線性疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓^[3]。

2.1.1 負溫度系數(shù)(CTAT)

2.1.2 正溫度系數(shù)(PTAT)

    如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基級—發(fā)射級電壓的差值就與絕對溫度成正比。

    該溫度系數(shù)為正，與溫度和集電極電流無關(guān)，基于上述原理，設(shè)計出帶隙基準(zhǔn)電路。

2.1.3 帶隙基準(zhǔn)電壓電路

    如圖2所示，當(dāng)開關(guān)信號Switch1為低電平時，電路啟動。通過調(diào)整信號Adjust1~4控制調(diào)整MOS管進而控制整條支路的總電阻，當(dāng)上電位V_IN流過由兩個三極管和調(diào)整電阻形成的帶隙基準(zhǔn)電壓網(wǎng)絡(luò)時產(chǎn)生壓降。本文在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上額外添加了比較電壓運放，從而整個模塊形成負反饋結(jié)構(gòu)，性能更加優(yōu)化，穩(wěn)定性大大提升。在輸出端口添加了RC濾波網(wǎng)絡(luò)以達到輸出穩(wěn)定電壓的目的。

2.2 電壓比較器

    電壓比較器是LDO設(shè)計的核心部分，也是本文的最重要的創(chuàng)新點。在不使用電容的情況下，使用傳統(tǒng)的運算放大器，其穩(wěn)定性非常差，相位裕度會在40°以下，甚至為負，以致產(chǎn)生較大的尖峰，其輸出電壓V_OUT會在一定范圍內(nèi)規(guī)律震蕩^[5]。所以在傳統(tǒng)運算放大器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如圖3所示的電壓比較器。

    如圖3所示，電路主要分為三個部分：(1)電流偏置電路；(2)差分運放電路；(3)帶Miller電容的輸出電路。

    左側(cè)的I_ref部分外接與M16尺寸相同且其柵漏短接的PMOS管，形成電流鏡而且可以有效降低其二次效應(yīng)帶來的影響。在外接MOS的漏端接入電流源提供偏置電流I_ref，I_ref通過M13-M14電流鏡將電流傳遞至M12，再通過M12-M5電流鏡將電流提供到差分運放電路模塊。

    中間的差分運放電路中正極為V_ref，負極為V_fb，M3-M6、M4-M7將差分信號傳遞至M19的柵極，下面進行定性分析：V_ref為定值，當(dāng)V_fb遠大于V_ref接近于上電位V_IN時，M1打開、M2截止，I_ref電流全部流進M1-M3電路，右側(cè)電路關(guān)斷。輸出電壓V_op接近于上電位V_IN電壓，由圖1結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)管關(guān)斷，LDO不工作；而當(dāng)V_fb逐漸減小至一定值時，M2管會打開，處于線性工作區(qū)，其漏端電壓會隨著V_fb的變化而變化，并將其電壓傳至M19柵端決定M19是否導(dǎo)通，通過M18、M19的狀態(tài)決定V_op的電壓；隨著V_fb繼續(xù)減小，M1、M2均會處于飽和區(qū)，此時電流平均分配給兩條支路，電流及電壓關(guān)系基本固定，將差分運放電路的輸出電壓傳至M19柵端。

    右側(cè)為整個電壓比較器的輸出部分。主要功能是提供穩(wěn)定的、期望的增益，并獲得低噪聲性能，不僅要穩(wěn)定而且還要有良好的性能。而這些要求均取決于放大器的零極點位置。而本文為了減少功耗，放棄了增大偏置電流的方式，而選用加入Miller電容來增加新的極點來提高穩(wěn)定性^[5]。將非主極點轉(zhuǎn)移到足夠高的頻率上，使放大器與單極點系統(tǒng)相似。而為了能夠提供足夠的相位裕度，這個非主極點是GBW的3倍左右，且PM要在60°～70°之間^[4-5]。

    另外，本文提出的LDO結(jié)構(gòu)應(yīng)用在SOC系統(tǒng)中。而在整個SOC系統(tǒng)中，模擬信號和數(shù)字信號產(chǎn)生的噪聲會相互影響，使其環(huán)路穩(wěn)定性降低[6]。在傳統(tǒng)LDO的研究基礎(chǔ)上，本文在電壓比較運放電路中加入了電源隔離管M11、M17，在正常工作中，電源隔離管關(guān)斷。這樣可實現(xiàn)即使在高頻電路中，也能夠?qū)㈦娏髌秒娐返纳想娢缓洼斎腚妷旱碾娫锤綦x，使其兩端的噪聲互不干擾^[7-8]。顯著提高其電源抑制比，減少高頻下的輸出紋波，增大其穩(wěn)定性。

3 仿真結(jié)果及分析

    本文仿真采用的華虹0.18 μm的BCD工藝，仿真工具是Spectre。

3.1 帶隙基準(zhǔn)仿真分析

    基于上述原理，對電路進行瞬態(tài)仿真，設(shè)置V_IN的電壓從0到5 V緩慢上升，上升時間為10 ns。得到帶隙基準(zhǔn)電壓模塊輸出V_ref為1.261 V。由分析知，整個電路在啟動過程中V_ref緩慢上升，通過電路負反饋調(diào)節(jié)V_ref的大小，最終在6 μs處趨于穩(wěn)定，如圖4和圖5所示，說明電路啟動過程中工作正常。在此基礎(chǔ)上對電路進行DC仿真，置V_IN為直流電壓5 V，令溫度在-40 ℃~125 ℃范圍線性變化，并通過仿真數(shù)據(jù)計算溫漂系數(shù)。

3.2 LDO仿真分析

    基于上述原理，對LDO整體進行瞬態(tài)仿真，設(shè)置V_IN的電壓從0到6 V緩慢上升，上升時間為10 ns。帶隙基準(zhǔn)電壓V_ref為1.26 V，且電流偏置為5 μA。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示，通過分析，整個LDO在啟動過程中V_OUT緩慢上升，通過反饋回路來調(diào)節(jié)V_op的大小，從而控制V_OUT的輸出的大小，最終在15 μs處趨于穩(wěn)定。說明電路啟動過程工作正常。可以將6 V的輸入電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換成1.8 V電壓，穩(wěn)定工作時靜態(tài)電流為82.18 μA。通過電源隔離管以及米勒補償電容的調(diào)整和設(shè)計，本文設(shè)計的LDO結(jié)構(gòu)的輸出電壓非常穩(wěn)定，輸出紋波為20 mV，誤差范圍在0.1%之間。

    隨后，對LDO整體進行穩(wěn)定性仿真分析，對整個電路從1 Hz到1 GHz進行仿真。仿真結(jié)果如圖8所示，通過仿真結(jié)果得知，其相位裕度PM=64.280 6°、幅值裕度GM=22.063 7°，通過分析可知，LDO模塊在波特圖中沒有尖峰，說明電路穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

    本文介紹了一種基于BCD 0.18 μm工藝的無片外電容的LDO的設(shè)計，以理論分析為基礎(chǔ)對傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)進行改進。通過兩個雙極型晶體管的V_BE(負溫系數(shù))以及V_BE的差值ΔV_BE(正溫系數(shù))的線性疊加產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓，同時采用負反饋電路和濾波電路提高輸出電壓的溫漂系數(shù)。此外，基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計出新型二級運算放大器結(jié)構(gòu)作為電壓比較。通過在運算放大器中加入特定的開關(guān)管來對上電位進行隔離，提高了LDO電源抑制比；同時，為解決穩(wěn)定性不夠的問題，引入米勒電容來增加新的極點。通過米勒電容可以有效代替片外電容，這種結(jié)構(gòu)不需要電容的分立器件，在封裝時可以減少一個引腳。

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作者信息:

霍德萱，張國俊

(電子科技大學(xué) 薄膜與器件國家重點實驗室，四川 成都610054)