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低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计

本文设计了一种用HHNEC 0.35μmBCD 工艺实现的LDO 线性稳压器, 该LDO 是一款低功耗,带宽大的低压差线性稳压器。对其结构和工作原理进行分析, 讨论了关键电路的设计, 模拟结果验证了设计的正确性。

  摘要:设计了一种用HHNEC 0.35μmBCD 工艺实现的LDO 线性稳压器, 该LDO 是一款低功耗,带宽大的低压差线性稳压器。对其结构和工作原理进行分析, 讨论了关键电路的设计, 模拟结果验证了设计的正确性。

  1 引言

  随着集成电路规模的发展, 电子设备的体积、重量和功耗越来越小, 这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。而随着片上系统( SOC) 的不断发展, 单片集成的LDO 线性稳压器的应用也越来越广泛[1]。对于片内的LDO,最担心的是寄生电容过大引起不稳定,论文针对片内应用而设计的这款LDO,能保证在uF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作,毕竟寄生电容再大也不至于是μF 级别的。功耗是LDO 线性稳压器的重要指标之一,一般的LDO 功耗都在几十μA 以上,例如文献[2]中电路的静态电流为38μA,文献[3]中静态功耗高达65μA, 而本文的静态功耗做到10μA 左右,不仅功耗低,本文中第二级靠电阻的电流关系提供了一个小增益级,并且提高了整个LDO的带宽。

  2 LDO 电路组成原理与关键模块设计

  2.1 电路基本工作原理

  图1 是LDO 线性稳压器的结构框图, 由下面几个部分组成:基准电压源(Vref)、误差放大器、同相放大器、反馈电阻网络、调整管等。其中基准电压源输出参考电压Vref, 要求它精度高, 温漂小。误差放大器将输出反馈回来的电压与基准电压Vref 进行比较, 并放大其差值,其经过同相放大器来控制调整功率管的状态, 因而使输出稳定。在这里C1 是前馈电容,可以提高负载调整率,并增加了一个左零点补偿,Cff提供一个零点补偿。第一级放大器就是一个差分对,和大多数误差放大器结构一样,第二级为同相放大级,靠电阻的电流关系提供一个小增益级,并控制带宽。相对于普通结构而言的,如果靠运放直接驱动功率管,那带宽就被功率管的寄生电容和运放输出阻抗和增益决定了,而这个结构的增益和输出阻抗,相比运放小很多,带宽自然就提高很多。表1 为该LDO 的主要设计参数和性能指标。

  图1 LDO 线性稳压器结构示意图

  图1 LDO 线性稳压器结构示意图

  表1 LDO 的设计参数和性能指标

  表1 LDO 的设计参数和性能指标

  2.2 电路组成与设计

  (1)调整管结构设计:MOS 型线性稳压器的调整管是电压驱动的, 能大大降低器件消耗的静态电流, 而且其较小的导通阻抗使得漏失电压也比较低,从而提高了电源的转换效率[4]。根据调整管的平方率关系式以及设计指标Vdropout ≈ 200mV,可以计算出调整管的宽长比, 结合调整管的栅极寄生电容以及工艺的要求,在重载情况下考虑调整管需工作在线性区, 将调整管的宽长设计为:W=6000μm,L=0.5μm。

  (2)电阻R1 与R2 选择:输出电压由反馈网络决定,根据VOUT =VREF[(R1+R2)/R1],当选定的VREF=1.25V,R1 = 625KΩ,那么R2 = 625KΩ。

  2.3 误差放大器(EA)设计

  误差放大器电路原理图如图2 所示。对该EA部分功耗(3μA)以及低的失调电压的要求,根据σ2(VT)= A2VT / WL+S2VTD2以及MOS 管的平方率关系[5],设计出各MOS 管的尺寸,M1 和M2 的宽长比为41/2, M3 和M4 的宽长比为4/1,M5 和M6 的宽长比为2/1, 我们这里取W1=W2=82μm,L1=L2=4μm;W3=W4=12μm,L3=L4=3μm;W5=W6=8μm,L5=L6=4μm。实际上,在EA 这部分为了让这一级增益Ger 不小于10dB 且保证有足够的相位裕度,将反馈电容CFF设计为20.8pF,把C1 设计为1.5pF。该部分的仿真结果如图3 所示。结果表明,该设计在保证稳定的前提下Ger 为11dB[6]。

  图2 EA 与反馈网络

  图2 EA 与反馈网络

  图3 EA 的环路增益

  图3 EA 的环路增益

  图3 EA 的环路增益

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