一種適用于移動芯片的低功耗低溫漂LDO電路

陳迪平，應(yīng) 韜，董 剛

(湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410082)

高效的電源管理在有限能耗的移動設(shè)備中越來越重要[1]．低壓差線性穩(wěn)壓器(Low DropOut regulator， LDO)因響應(yīng)速度快、噪聲低、電路結(jié)構(gòu)簡單及外圍器件少等特點，逐漸被集成于片上系統(tǒng)中[2-5]．針對不同電壓需求的各噪聲敏感模塊，分別被優(yōu)化設(shè)計提供純凈的電源，可改善系統(tǒng)的整體性能．為了降低移動設(shè)備在睡眠等工作模式下的功耗，延長待機(jī)時間，需降低空載時靜態(tài)電流以改善其電流效率[6]．低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓的穩(wěn)定度受多種因素疊加影響，其中工作溫度的變化對誤差放大器輸出電壓穩(wěn)定度和基準(zhǔn)電壓的影響最大[7-8]．

圖1 傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)

基于傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器電路，筆者提出了一種適用于移動設(shè)備芯片的新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路．將傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器反饋網(wǎng)絡(luò)中的一個反饋電阻替換成經(jīng)過一階溫度補(bǔ)償?shù)暮懔髟?，同時將其作為基準(zhǔn)電壓源電路和誤差放大器的偏置參考電流，從而減少了額外的電流支路，降低了該低壓差線性穩(wěn)壓器電路的靜態(tài)功耗．該低壓差線性穩(wěn)壓器電路輸出電壓采用一階溫度補(bǔ)償措施，降低了其輸出電壓對溫度的敏感性，實現(xiàn)了低溫漂系數(shù)設(shè)計．

1 傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器電路分析

傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括誤差放大器、調(diào)整管、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和基準(zhǔn)電壓源4個部分[9]．低壓差線性穩(wěn)壓器是一個閉環(huán)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，通過反饋作用將輸出電壓穩(wěn)定．正常工作時輸出電壓為

Vout=Vref(1+R1/R2) ．

(1)

Vout=(Vref+Vos) (1+R1/R2) ．

(2)

若R1、R2使用相同類型的電阻，則它們的溫度特性相同，比值為與溫度無關(guān)的常數(shù)．據(jù)式(2)可得輸出電壓溫度系數(shù)TC為

(3)

根據(jù)式(3)，Vref和Vos的溫度特性直接被放大為Vout的溫度特性．此外，傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)輸出電壓Vout受多種因素影響，包括輸入電源電壓對其影響(ΔVLR)，負(fù)載對其影響(ΔVLDR)，基準(zhǔn)電壓對其影響(ΔVo，ref)，誤差放大器對其影響(ΔVo，a)，反饋電阻對其影響(ΔVo，r)和溫度系數(shù)對其影響(ΔVTC)等．其中，ΔVo，ref和ΔVo，a對Vout的影響最大．低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出精度為[7]

% ．

(4)

圖2 新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)

2 新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路設(shè)計

2.1 低功耗優(yōu)化設(shè)計

筆者設(shè)計的新型低壓差線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示．采用恒流源IL代替?zhèn)鹘y(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器電路中的反饋電阻R2，同時將該電流映射到誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源電路，作為其偏置參考電流，減少額外電流支路，以達(dá)到降低靜態(tài)功耗、提高電流效率的目的．

圖3 恒流源IL電路

基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，恒流源IL(圖3所示)采用溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)予以實現(xiàn): 由正溫度系數(shù)電流(Proportional To Absolute Temperature， PTAT)和負(fù)溫度系數(shù)電流(Negative To Absolute Temperature， NTAT)兩部分構(gòu)成．M1和M2管工作于弱反型區(qū)，弱反型區(qū)金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管電流為[11]

(5)

其中，參數(shù)n定義為(1+Cdep/Cox)，Cox為柵氧層單位電容，Cdep為溝道耗盡層單位電容，n值在1.2～1.5之間，取決于溝道耗盡層的厚度，且與偏置電壓相關(guān)．M1和M2的寬長比為M，其余對管寬長比均相同，因此，流過電阻Rp的電流Ip為

據(jù)式(6)，電流Ip大小只與參數(shù)n、電阻Rp、溫度電壓VT以及兩管比例M相關(guān)，而與電壓無關(guān)．在正溫度系數(shù)電流電路中引出電壓端VBU和VBD，將電流Ip映射到誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源電路中分別作為其偏置參考電流．電流Ip為基準(zhǔn)電壓源電路所需的正溫度系數(shù)電流，在電路實現(xiàn)中合理設(shè)計環(huán)路相位裕度和帶寬等參數(shù)，并留有一定的設(shè)計裕度，則復(fù)用偏置電流不會對誤差放大器偏置電路產(chǎn)生負(fù)面影響．

負(fù)溫度系數(shù)電流基于二極管方式連接的PNP管Q1產(chǎn)生，如圖3所示，流過電阻Rn的電流In約為

(7)

據(jù)式(7)，電流In的大小與電壓無關(guān)，電阻Rn決定了電流In的大?。?/p>

根據(jù)式(6)和式(7)，將兩部分電流相加可得到電流IL:

(8)

因此，該新型低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓為

(9)

2.2 低溫漂系數(shù)設(shè)計

考慮誤差放大器失調(diào)電壓Vos后的低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓為

(10)

由式(10)，可得低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓溫度系數(shù)為

(11)

式(10)中第3項為正值，第4項為負(fù)值，可通過相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)計使這兩項互相抵消，則與式(3)相比，低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓的溫度系數(shù)將有效減?。虼耍钌鲜胶髢身椫蜑榱?，可得

(12)

(13)

圖4 筆者設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器整體電路圖

通過仿真掃描可得到?VBE1/?T的值．根據(jù)式(13)設(shè)計電阻比值，可實現(xiàn)溫度補(bǔ)償．與傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器相比，筆者所設(shè)計的新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路在滿足式(13)的條件下，可有效地降低輸出電壓的溫度敏感性，提高輸出的穩(wěn)定度．

2.3 整體電路設(shè)計

筆者設(shè)計的新型低壓差線性穩(wěn)壓器整體電路如圖4所示，M3～M9、Rv和Q2構(gòu)成帶隙電壓基準(zhǔn)．在實現(xiàn)中，從正溫度系數(shù)電流部分N倍比例映射正溫度系數(shù)電流，與Q2產(chǎn)生的負(fù)溫度系數(shù)電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償后的電流在電阻Rv上生成基準(zhǔn)電壓Vref[12]:

(14)

選擇合適的N、n、M和電阻比值，可獲得接近零溫度系數(shù)的Vref．

針對不同的負(fù)載電容，低壓差線性穩(wěn)壓器環(huán)路頻率補(bǔ)償方式是不盡相同的．對于筆者的設(shè)計，因無片外大電容負(fù)載，為避免環(huán)路主極點隨負(fù)載電容的變化而變化，采用密勒補(bǔ)償方式實現(xiàn)電路的穩(wěn)定性設(shè)計．將低頻主極點放在誤差放大器輸出端，使低壓差線性穩(wěn)壓器輸出節(jié)點產(chǎn)生的極點成為次極點，以降低負(fù)載變化對環(huán)路穩(wěn)定性的影響．

在實現(xiàn)中，增加誤差放大器增益可減小負(fù)載調(diào)整率，但此舉會影響閉環(huán)穩(wěn)定性，需折中考慮．傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源電路有限的電源抑制比會限制低壓差線性穩(wěn)壓器電路低頻處的電源抑制比，調(diào)整管有限的阻抗也會限制低壓差線性穩(wěn)壓器的電源抑制比，而提高誤差放大器增益和環(huán)路帶寬可以有效地改善電源的抑制比．

筆者的設(shè)計為移動設(shè)備芯片提供電源管理，輸出精度及負(fù)載能力要求不高，故采用M10～M15構(gòu)成的單級誤差放大器，尾電流源為共源共柵結(jié)構(gòu)，直接從正溫度系數(shù)電流部分比例映射獲取．此舉可簡化頻率補(bǔ)償方案，降低電路成本．仿真分析表明，此設(shè)計可滿足實際應(yīng)用場合的要求．

根據(jù)功耗和面積限定，由式(6)設(shè)定電流Ip為400 nA，n取1.45，M取8，則

Rp=n(kT/q) lnM/Ip≈196 kΩ ．

(15)

Q1和Q2采用不同尺寸的晶體管予以實現(xiàn)．對溫度仿真掃描，可得 ?VBE1/ ?T約為 -2.8 mV/℃，?VBE2/ ?T約為 -1.6 mV/℃，由式(12)得Rn≈ 2.1 MΩ; 折中考慮功耗和電阻Rv的大小，式(14)中N取4，將其對溫度求導(dǎo)并令其為0，可得Rv≈ 300 kΩ．再根據(jù)具體仿真情況適當(dāng)調(diào)整電阻值．在實際電路實現(xiàn)時，電阻Rn、Rp、R1和Rv均加入可控電阻陣列以便于修調(diào)．

圖5 筆者設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器電路版圖設(shè)計

3 電路版圖設(shè)計及仿真結(jié)果分析

基于上海宏力半導(dǎo)體有限公司(Grace Semiconductor Manufacturing Corporation，GSMC) 0.18 μm 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工藝，并利用Cadence軟件完成了電路和版圖設(shè)計，利用Spectre、Virtuoso等工具進(jìn)行了仿真分析．圖5中的黑色虛線區(qū)域所示為該低壓差線性穩(wěn)壓器的電路版圖設(shè)計，其面積為 0.12 mm× 0.09 mm．

該電路用于芯片內(nèi)部模塊的供電，其輸入電源電壓為 3.3 V，輸出電壓為 1.8 V．因負(fù)載驅(qū)動要求不高，故P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)調(diào)整管尺寸較小，最大負(fù)載電流為 7 mA，滿足負(fù)載要求．如圖6所示，其負(fù)載調(diào)整率為 0.51 mV/ mA，滿足應(yīng)用要求；在 2.85 ～ 4.00 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，其線性調(diào)整率約 1.437 mV/V; 輸出電壓精度約為0.25%．如圖7所示，負(fù)載電流在 0～7 mA 的范圍內(nèi)，該低壓差線性穩(wěn)壓器電路包括基準(zhǔn)電壓源在內(nèi)的總靜態(tài)電流基本保持不變，約 5.486 μA．

圖8 Vout和Vref的溫度敏感性曲線

如圖8所示，在TT工藝角下，對該低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓Vout和基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行DC溫度掃描，掃描范圍為 -40～ 85℃，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化趨勢基本保持一致，其溫漂系數(shù)僅為 9.772× 10-6/℃，滿足設(shè)計要求．

在無片外電容的情況下，當(dāng)負(fù)載電流為10 μA、100 μA和1 mA時，相裕度依次為66.0°、76.5°和87.5°; 在最大負(fù)載電流情況下，電源抑制比約為 -49.7 (100 kHz 條件下)．

此新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路在不同設(shè)計要求下可達(dá)到不同性能，取決于面積、功耗和負(fù)載驅(qū)動能力等指標(biāo)的折中．如采用高阻值電阻，可降低功耗; 使用大尺寸調(diào)整管，可增強(qiáng)負(fù)載能力; 采用經(jīng)更高階溫度補(bǔ)償?shù)暮懔髟?，則溫漂更小．所設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器電路應(yīng)用于一款移動設(shè)備芯片，其電源供電電壓要求為 3.1～ 3.5 V，低壓差線性穩(wěn)壓器工作電壓范圍將其完全覆蓋．筆者設(shè)計的新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路的部分性能指標(biāo)與已發(fā)表文獻(xiàn)所提結(jié)構(gòu)的對比分析如表1所示，據(jù)此可以看出，在相近工藝和面積條件約束下，筆者設(shè)計的新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路對于空載時靜態(tài)電流這一指標(biāo)具有較大改進(jìn)，約為文獻(xiàn)[1]中低壓差線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流的 1/10，較另外幾篇文獻(xiàn)也具備明顯的優(yōu)勢．該新型低壓差線性穩(wěn)壓器電路靜態(tài)電流包括基準(zhǔn)電壓源電路電流在內(nèi)，而其他幾種設(shè)計并不包括．同時，文獻(xiàn)[7]中低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓的溫漂系數(shù)為 2.260× 10-5/℃，文獻(xiàn)[9] 中低壓差線性穩(wěn)壓器溫漂系數(shù)低于 4.500× 10-5/℃，而筆者設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器溫漂系數(shù)為 9.772× 10-6/℃，相比之下具有較大優(yōu)勢．綜合衡量，筆者設(shè)計的低壓差線性穩(wěn)壓器電路在降低功耗的條件下仍具有良好的整體性能，滿足設(shè)計要求．

表1 本設(shè)計與參考文獻(xiàn)部分性能指標(biāo)對比

4 總 結(jié)

基于傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)，筆者采取復(fù)用偏置電流、引入經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)暮懔髟吹却胧?，設(shè)計了一種適用于片內(nèi)集成的新型無片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器電路，有效地降低了電路功耗，減小了輸出電壓的溫度系數(shù)，提高了輸出電壓的穩(wěn)定度．仿真基于GSMC 0.18 μm CMOS工藝，驗證了電路結(jié)構(gòu)的正確性和有效性，結(jié)果表明該低壓差線性穩(wěn)壓器電路在 2.85～ 4.00 V 工作電壓范圍內(nèi)，空載時包括基準(zhǔn)電壓源電路在內(nèi)的總靜態(tài)電流僅為 5.486 μA，在 -40～ 85℃工作溫度范圍內(nèi)，輸出電壓溫漂僅為 9.772× 10-6/℃，達(dá)到了低功耗和低溫漂的要求．