《電子技術應用》
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一種高穩定性的無片外電容的LDO的設計
2020年電子技術應用第1期
霍德萱,張國俊
電子科技大學 薄膜與器件國家重點實驗室,四川 成都610054
摘要: 考慮到LDO應用在無分立器件的情況下,針對在無片外電容和無片外電阻的情況下對LDO進行研究設計,在無外接電容的情況下,LDO同樣能夠輸出穩定電壓,以應用在DC-DC轉換器中為內部電路模塊進行供電。并通過調整LDO內部運算放大器結構以及對運算放大器進行米勒補償來調整其零極點,同時在運算放大器內部進行電源隔離的處理,可以顯著提高其電源抑制比。最后利用華虹0.18 μm的BCD工藝進行仿真。仿真結果表明,此結構具有高穩定性,可以輸出穩定電壓。
中圖分類號: TN402
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190920
中文引用格式: 霍德萱,張國俊. 一種高穩定性的無片外電容的LDO的設計[J].電子技術應用,2020,46(1):44-47.
英文引用格式: Huo Dexuan,Zhang Guojun. Design of a high stability LDO without off-chip capacitor[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(1):44-47.
Design of a high stability LDO without off-chip capacitor
Huo Dexuan,Zhang Guojun
State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China
Abstract: This paper is aimed at researching and designing LDOs without off-chip capacitors. Whether the LDO can stabilize the output voltage when there is no external capacitor is studied. Based on this, a new type of high-stability LDO structure with no off-chip capacitor is studied to apply power to the internal circuit module in the DC-DC converter. The poles of the LDO are adjustd by adjusting the internal op amp structure and Miller compensation of the op amp. The simulation results show that the structure has high stability and can output a stable voltage.
Key words : no off-chip capacitor;LDO;DC-DC converter;operational amplifier;Miller compensation

0 引言

    如今,隨著集成電路產業的迅速發展,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計也愈發復雜[1]。目前主流上有許多電源管理方案,而對于應用在降壓場合,且輸入電壓與輸出電壓較為接近時,LDO穩壓器則成為了首要選擇[2-3]。本文基于0.18 μm BCD工藝,設計一種應用在便攜式電子產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系統中,無需外接分立元件[3-4]

1 LDO設計原理

    本文研究的LDO設計原理如圖1所示,主要包括帶隙電壓基準電路、電壓比較電路、補償電路、功率管以及調整電阻[1]

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    如圖1所示,帶隙基準電壓模塊產生一個與溫度無關的穩定的電壓Vref輸出給電壓比較器正端,而電壓比較器負端接在調整電阻網絡形成負反饋。其電壓比較器的輸出電壓接在開關管M1的柵極,其目的是通過用帶隙基準電壓Vref和反饋電壓Vfb來控制M1管的開啟和關斷,進而控制整個電路的開啟和關斷[4]

    同時,當M1管開啟時,調整電阻網絡將輸入電壓VIN進行分壓得到反饋電壓Vfb,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電壓Vref,負端是調整電阻網絡反饋電壓Vfb,當Vfb電壓值接近或遠大于Vref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VIN,M1導通。當輸入電壓VIN為定值時,且M1管處于飽和區時,其流過調整電阻網絡的電流基本不變,而Vfb的電壓值也基本不變,則輸出電壓VOUT的電壓也基本不變,從而實現將VIN的高電平轉換成VOUT的低電平為內部模塊供電的目的。

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

2 具體電路設計

2.1 帶隙基準

    帶隙基準主要是用兩個雙極型晶體管的VBE(負溫度系數)以及VBE的差值ΔVBE(正溫度系數)的線性疊加產生零溫度系數的帶隙基準電壓[3]

2.1.1 負溫度系數(CTAT)

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2.1.2 正溫度系數(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—發射級電壓的差值就與絕對溫度成正比。

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    該溫度系數為正,與溫度和集電極電流無關,基于上述原理,設計出帶隙基準電路。

2.1.3 帶隙基準電壓電路

    如圖2所示,當開關信號Switch1為低電平時,電路啟動。通過調整信號Adjust1~4控制調整MOS管進而控制整條支路的總電阻,當上電位VIN流過由兩個三極管和調整電阻形成的帶隙基準電壓網絡時產生壓降。本文在傳統帶隙基準結構的基礎上額外添加了比較電壓運放,從而整個模塊形成負反饋結構,性能更加優化,穩定性大大提升。在輸出端口添加了RC濾波網絡以達到輸出穩定電壓的目的。

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2.2 電壓比較器

    電壓比較器是LDO設計的核心部分,也是本文的最重要的創新點。在不使用電容的情況下,使用傳統的運算放大器,其穩定性非常差,相位裕度會在40°以下,甚至為負,以致產生較大的尖峰,其輸出電壓VOUT會在一定范圍內規律震蕩[5]。所以在傳統運算放大器的基礎上,設計了如圖3所示的電壓比較器。

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    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。

    左側的Iref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帶來的影響。在外接MOS的漏端接入電流源提供偏置電流Iref,Iref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Vref,負極為Vfb,M3-M6、M4-M7將差分信號傳遞至M19的柵極,下面進行定性分析:Vref為定值,當Vfb遠大于Vref接近于上電位VIN時,M1打開、M2截止,Iref電流全部流進M1-M3電路,右側電路關斷。輸出電壓Vop接近于上電位VIN電壓,由圖1結構可知,開關管關斷,LDO不工作;而當Vfb逐漸減小至一定值時,M2管會打開,處于線性工作區,其漏端電壓會隨著Vfb的變化而變化,并將其電壓傳至M19柵端決定M19是否導通,通過M18、M19的狀態決定Vop的電壓;隨著Vfb繼續減小,M1、M2均會處于飽和區,此時電流平均分配給兩條支路,電流及電壓關系基本固定,將差分運放電路的輸出電壓傳至M19柵端。

    右側為整個電壓比較器的輸出部分。主要功能是提供穩定的、期望的增益,并獲得低噪聲性能,不僅要穩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定性[5]。將非主極點轉移到足夠高的頻率上,使放大器與單極點系統相似。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]

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    另外,本文提出的LDO結構應用在SOC系統中。而在整個SOC系統中,模擬信號和數字信號產生的噪聲會相互影響,使其環路穩定性降低[6]。在傳統LDO的研究基礎上,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,電源隔離管關斷。這樣可實現即使在高頻電路中,也能夠將電流偏置電路的上電位和輸入電壓的電源隔離,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,增大其穩定性。

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3 仿真結果及分析

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

3.1 帶隙基準仿真分析

    基于上述原理,對電路進行瞬態仿真,設置VIN的電壓從0到5 V緩慢上升,上升時間為10 ns。得到帶隙基準電壓模塊輸出Vref為1.261 V。由分析知,整個電路在啟動過程中Vref緩慢上升,通過電路負反饋調節Vref的大小,最終在6 μs處趨于穩定,如圖4和圖5所示,說明電路啟動過程中工作正常。在此基礎上對電路進行DC仿真,置VIN為直流電壓5 V,令溫度在-40 ℃~125 ℃范圍線性變化,并通過仿真數據計算溫漂系數。

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3.2 LDO仿真分析

    基于上述原理,對LDO整體進行瞬態仿真,設置VIN的電壓從0到6 V緩慢上升,上升時間為10 ns。帶隙基準電壓Vref為1.26 V,且電流偏置為5 μA。仿真結果如圖6、圖7所示,通過分析,整個LDO在啟動過程中VOUT緩慢上升,通過反饋回路來調節Vop的大小,從而控制VOUT的輸出的大小,最終在15 μs處趨于穩定。說明電路啟動過程工作正常。可以將6 V的輸入電壓穩定轉換成1.8 V電壓,穩定工作時靜態電流為82.18 μA。通過電源隔離管以及米勒補償電容的調整和設計,本文設計的LDO結構的輸出電壓非常穩定,輸出紋波為20 mV,誤差范圍在0.1%之間。

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    隨后,對LDO整體進行穩定性仿真分析,對整個電路從1 Hz到1 GHz進行仿真。仿真結果如圖8所示,通過仿真結果得知,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,說明電路穩定性良好。

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4 結論

    本文介紹了一種基于BCD 0.18 μm工藝的無片外電容的LDO的設計,以理論分析為基礎對傳統電路結構進行改進。通過兩個雙極型晶體管的VBE(負溫系數)以及VBE的差值ΔVBE(正溫系數)的線性疊加產生零溫度系數的帶隙基準電壓,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。此外,基于傳統結構設計出新型二級運算放大器結構作為電壓比較。通過在運算放大器中加入特定的開關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,這種結構不需要電容的分立器件,在封裝時可以減少一個引腳。

參考文獻

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[8] 初飛,宋奎鑫,趙元闖,等.一種應用于LDO的可編程電流限電路設計[J].電子技術應用,2018,44(4):23-26.



作者信息:

霍德萱,張國俊

(電子科技大學 薄膜與器件國家重點實驗室,四川 成都610054)

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