基于LDO線性穩(wěn)壓器的低電壓CMOS誤差放大器設(shè)計(jì)

摘要:針對目前LDO線性穩(wěn)壓器的廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一款性能更加完善的CMOS誤差放大器。該電路結(jié)構(gòu)具有低功耗、高轉(zhuǎn)換速率、低電壓啟動等特性;此電路的設(shè)計(jì)基于CSMC 5V 0.5um CMOS 工藝下完成;線路的仿真驗(yàn)證是基于cadence 軟件下通過spectre 仿真器仿真。

關(guān)鍵詞:LDO線性穩(wěn)壓器;誤差放大器;CMOS

進(jìn)入21世紀(jì)以后，國內(nèi)IC地快速發(fā)展，打斷了很多國外的壟斷，使得電子產(chǎn)品的價格相對以往便宜很多。目前發(fā)展較快的一方面是便攜式電源，它更多地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、藍(lán)牙、GPS等。LDO線性穩(wěn)壓器屬于電源管理電路的一種，其較低的輸入輸出電壓使電池具有較高的使用效率。它具有高效率、高集成度、小巧外形以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，使得眾多便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)者有了更好的選擇。

一、誤差放大器的基本特性

穩(wěn)定性方面:運(yùn)放通常是多級放大器，每一個增益級都會產(chǎn)生一個主極點(diǎn)，而在多極點(diǎn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)往往是不穩(wěn)定的。但可以通過“頻率補(bǔ)償”技術(shù)改變系統(tǒng)零極點(diǎn)位置達(dá)到穩(wěn)定。

共模輸入輸出方面:只有輸入信號在共模數(shù)值范圍內(nèi)，誤差放大器才能正常工作，并能以相同的增益放大不同的信號;輸出電壓的最大擺幅與運(yùn)放結(jié)構(gòu)、器件尺寸、偏置電流有一定關(guān)系，但和速度之間，其性能指標(biāo)是相互制約的，只有折中選取。

增益方面:運(yùn)放的開環(huán)增益確定了使用運(yùn)放的反饋系統(tǒng)的精度。理想運(yùn)放的開環(huán)增益為無窮大，實(shí)際情況增益AV=Vout/(Vip-Vin)。如果綜合考慮速度與輸出電壓擺幅這一類的參數(shù)，則在設(shè)計(jì)運(yùn)放時，必須知道運(yùn)放需要的最小增益。高的開環(huán)增益有抑制非線性的能力。

二、誤差放大器的線路結(jié)構(gòu)

它是由三大模塊構(gòu)成，一是低電壓啟動偏置電路，二是運(yùn)放輸入級，三是運(yùn)放輸出緩沖級。這是低電源的誤差放大器，雙端輸入單端輸出，并采用有源負(fù)載。具體線路如圖所示:

三、誤差放大器的工作原理

EN和ENN是相反的使能控制信號，當(dāng)EN為高電平時，電路不正常工作，誤差放大器消耗的電流接近0.1uA;當(dāng)EN為低電平時，誤差放大器正常工作，消耗的電流大約為10uA。由于EN為低電平，M1和M2管子開啟，M6的柵極和漏極相接，等效為二極管，因此當(dāng)電壓VDD=VTH+VDS1+VDS2時，電路啟動工作。VDD電壓大約1.2V時就能夠建立工作，所以此運(yùn)放適合一個低電源電壓電路。在啟動電路中用了一個大的電阻值和一個大的倒比管。整個電路工作時，啟動電路的電流一直在損耗，所以選取大阻值以減少這個支路上消耗的電流，實(shí)現(xiàn)低功耗。電路啟動以后，使得M4支路上的鏡像電流受到電阻R1的影響，R1越大，支路電流越小。C2和C3的作用主要是為了濾除電源上的高頻噪聲，C1主要是穩(wěn)定R1上的電壓波動，對此濾除紋波。

由左下圖可見，M17和M18為該放大器的差分對管，它將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流，對交流信號能夠起到第一級放大;M12和M13為負(fù)載的有源電流鏡，因此能夠提高差分放大器的增益。M19主要為差分放大器提供尾電流，可以控制誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率;圖M22起到第二級放大，M11通過M12鏡像電流，提供給M22管，此處采用M20、M21串聯(lián)，M22、M23串聯(lián)。主要作用是將差分放大器雙端轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵觯M(jìn)一步提高放大器的增益;誤差放大器的輸出端控制調(diào)整管PMOS的柵極，由于LDO調(diào)整管PMOS要求較小損耗、較低輸出壓差、較小導(dǎo)通電阻，所以這個PMOS管的面積必須比較大，導(dǎo)致電容值較大，因此這個誤差放大器緩沖級的驅(qū)動管要比較強(qiáng) ，M14和M16的寬長比較大。

當(dāng)在5V電源時，通過仿真得到運(yùn)放特性如下:開環(huán)增益為62dB，相位裕度為65度，增益帶寬積達(dá)到15.3M，電源抑制比在低頻時為-70dB左右，輸入電壓范圍為0.9V到4.1V，輸出電壓約為0V到5V;當(dāng)電源電壓為1.5V時，運(yùn)放還是能夠正常工作，完全可以適合低電源的LDO線性穩(wěn)壓電路。

此誤差放大器的設(shè)計(jì)基于CSMC 5V 0.5um CMOS 工藝，它不僅轉(zhuǎn)換速率高，增益大，靜態(tài)電流低，工作電壓范圍寬，而且?guī)в械蛦与娐?，適合低電源電壓工作。

參考文獻(xiàn)

[1] Behzad Razavi.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)，陳貴燦，程軍，張瑞智.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.[2] PAllen.CMOS IC design [M].第二版，北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[3] Alan Hastings.模擬電路版圖的藝術(shù)(第二版)，張為.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[4] Fan Hua，F(xiàn)eng Quanyuan.Design of an OP-AMP Based on a LDO Regulator.Chinese Journal of Semiconductors，2005.

[5] Jeongjin Roh.High Performance Error amplifier for Fast transient DC—DC Converters.IEEE Trans.on Circuits and Systems.

[6] PhillipE.Allen，DouglasR.Holberg.CMOS Analog Circuit Design Second Edition.

作者簡介:

蔡惠玲，1982年10月出生，女，浙江臨海人，現(xiàn)工作于浙江吉利技師學(xué)院，職稱:助教。同時為杭州電子科技大學(xué)電子與通信工程專業(yè)的在職研究生。