宋圣宇 陳建軍 文 溢 邢海源 李夢姿 郭 陽

（國防科技大學計算機學院 長沙 410000）

1 引言

從MP3、MP4 到智能手機、平板電腦甚至智能手環(huán)、無線耳機一類的穿戴設備，便攜式電子設備已經(jīng)融入到我們生活的方方面面。這些電子器件對電源的要求越來越嚴格，不僅要電源足夠穩(wěn)定以滿足內(nèi)核供電的需求從而達到最佳的性能，又要合理地控制功率以實現(xiàn)更長時間待機的要求，甚至還要合理地分配電能，盡可能延長電池使用壽命。

穩(wěn)壓器是最基本的電源電路，其分為線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器，雖然開關穩(wěn)壓器的效率很高，但也存在結(jié)構復雜、噪聲高、成本高、功耗高等缺點。以DC/DC開關穩(wěn)壓器為例，雖然該穩(wěn)壓器既可以升壓又可以降壓，但是由于其內(nèi)部存在直流轉(zhuǎn)交流再轉(zhuǎn)直流的過程，故在電路方面會涉及很多片外電容使空間壓縮變得困難，且電路結(jié)構復雜、功耗高、噪聲難以控制，不適合小型電子設備使用。而線性穩(wěn)壓器結(jié)構相對簡單，功耗低，且噪聲較少，響應速度快，這使得線性穩(wěn)壓器在便攜式電子產(chǎn)品的應用優(yōu)先級更高。

28nm 工藝是目前小型電子設備市場應用最廣泛的制造工藝，也是我國最新普及的工藝。設計一款28nm工藝的高性能的線性穩(wěn)壓器不僅符合市場需要，也能為更高精度的電路研究做鋪墊。

現(xiàn)如今LDO 已不再追求大負載、大電流，而是在精度和準度上提出更高的要求。隨著IC 片上集成系統(tǒng)的發(fā)展，LDO 研究熱點轉(zhuǎn)向基于PMU 的片內(nèi)全集成，力圖設計制造功能更完善的電源管理模塊。另外，更低的功耗、更高的電源抑制比、更快速的瞬態(tài)響應以及去除片外電容的LDO 都成為了研究的熱點。本文針對的是一款基礎LDO 的設計，通過電路結(jié)構的優(yōu)化提高性能，最終在工程上滿足SerDes高速系統(tǒng)的需要。

2 LDO電路設計

LDO 由幾個功能模塊組成，如圖1，分別是基準電壓源、誤差放大器、功率調(diào)整管、反饋網(wǎng)絡［1］。另外，為提高電路穩(wěn)定性，加入了啟動電路和自偏置電路。

工作原理?；鶞孰妷涸床捎脦痘鶞孰娐方Y(jié)構，目的是產(chǎn)生一個基準電壓Vref。誤差放大器為負反饋運放結(jié)構，其差分輸入端的反向輸入端為該基準電壓，正向輸入端是輸出電壓通過反饋網(wǎng)絡后的電壓。誤差放大器將兩輸入端的差值放大并輸出給功率調(diào)整管，功率管通過調(diào)整輸出電流的大小使系統(tǒng)的輸出電壓保持在穩(wěn)定值。同時，通過特定方式降低基準電壓源對溫度、電源電壓波動的靈敏度［2～3］，實現(xiàn)整個系統(tǒng)輸出電壓的準確性、穩(wěn)定性。

圖1 LDO基本結(jié)構

假設運放電路為理想狀態(tài)，電路開環(huán)增益為無窮大，那么有：

圖2 LDO電路圖

LDO輸出電壓的性能，與基準電壓Vref的性能直接相關。輸出電壓的大小，與Vref的大小和反饋網(wǎng)絡電阻的比值直接相關。

誤差放大器。LDO 電路中的誤差放大器采用兩級運放的結(jié)構，相比于折疊運放、套筒運放，兩級運放的開環(huán)增益最高，功耗和噪聲較低［4］。兩級運放的開環(huán)增益等于第一級增益與第二級增益的乘積，第一級采用差分放大器結(jié)構，目的是提供更高的增益，第二級采用共源極放大結(jié)構，放大輸出擺幅［5～6］。

圖3 兩級運算放大器

其中，N6 和N7 組成共源極放大器結(jié)構，其中N6 在功能上作為有源負載電阻使用，最終結(jié)果由漏極輸出。N7 采用NMOS 管，襯底與地同電位可以忽略襯底調(diào)制效應。另外，為了增大相位裕度，引入了米勒電容Cc進行頻率補償［9］，但是這個電容會導致系統(tǒng)的速度變慢，不過帶隙基準電路只對精度有要求，對速度要求不高。所以這里采用犧牲速度的方式提高系統(tǒng)的精度，是電路設計中折中的體現(xiàn)［6］。

第一級差分放大增益：

第二級共源極放大增益：

兩級運放的增益：

圖4 功率調(diào)整管

功率調(diào)整管。功率管一般用在電路末級驅(qū)動負載，提供大電流輸出，還將誤差放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)化為電流變化，進而通過電阻形成LDO 的輸出電壓及反饋電壓［8］。

PMOS 管的導通壓降和靜態(tài)電流相比于其他功率管的實現(xiàn)方式都是最小的，另外，PMOS 管柵極阻抗很大，基本沒有電流通過，使運放輸出端的輸出阻抗不重要?？紤]到低功耗和大電流負載，選用PMOS場效應管作為功率管［10］。

自偏置電路的波動對LDO 電路的影響，在LDO電路中增加了自偏置電路結(jié)構，給后續(xù)的電路提供穩(wěn)定的偏置。本設計中在BG 和LDO 電路中均增加了自偏置電路，以降低電源波動對電路的影響，提高電源抑制比和線性調(diào)整率，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖5 自偏置電路

根據(jù)場效應管的電壓特性曲線可知，處于飽和狀態(tài)的MOS 管，其源漏電流在一定范圍內(nèi)與源漏電壓弱相關，與柵源電壓關系較大。所以可以采用圖5 的結(jié)構，第一級電流鏡為第二級提供電壓偏置，第二級控制輸出。如圖，第一級兩PMOS 管有相同的尺寸，則Iout=Iref，且此時電源電壓接源極，其波動影響源漏電壓，對漏極電流的影響被減小。但是由于RS電阻的存在，使得Iout變小，所以對于第二級的NMOS 管，可以寫出：VGS1=VGS2+IoutRS，根據(jù)場效應管特性公式得：

忽略體效應，整理得：

由上式可以看出，此時的輸出電流與電源電壓無關，僅是工藝參數(shù)的函數(shù)［10］。注意，由于M1、M2的源極點位不相等，所以計算中VTH1=VTH2存在誤差，這種情況可以通過在M3 的源極串入一個電阻來解決。另外，由于計算過程忽略了體效應，所以在設計電路時要盡量增大晶體管的溝道長度，以降低體效應。

圖6 多層自偏置電路

為減少電路冗余，簡化電路結(jié)構，這里電流鏡采用了多層級的結(jié)構，目的是降低電流，得到合適的輸出電壓。右側(cè)支路引出多個輸出端口，電壓成階梯狀遞減，為后續(xù)電路提供不同的電壓偏置，這樣就避免了每一個電路都需要一個單獨的自偏置結(jié)構。

啟動電路。啟動電路要保證電路在通電時能夠進入正常工作的狀態(tài)，并且在電路正常工作后不產(chǎn)生額外的功耗［11］。本文設計在BG 電路和LDO中均增加了相同結(jié)構的啟動電路，能夠在電路通電時促使運放電路和自偏置電路正常工作，并且此后不產(chǎn)生額外功耗。

圖7 自偏置啟動電路

如圖7，電路通電后，根據(jù)場效應管的導通原理，P1、P2、N1均處于導通狀態(tài)，使得啟動電路的輸出bias1 為低電平。而bias1 連接自偏置電路第一級的PMOS 場效應管柵極，使得自偏置電路正常工作。而N2、N3、P3 均處在截至區(qū)，故啟動電路中沒有電流通過，實現(xiàn)了功耗的降低。

圖8 運放啟動電路

如圖8，當電路通電后，此時運放輸出端A_out為零，P1 管導通使得W1 電壓升高，而后N1，N2 導通使得W2 近似與地短接，P2 變?yōu)閷顟B(tài)，使得運放輸出端有電流流入，進而反饋電壓升高，運放電路正反向輸入端產(chǎn)生壓差后開始正常工作。啟動完畢后，N1、N2管截止，啟動電路內(nèi)電流消失，降低了功耗。

圖9 BG電路基本結(jié)構

BG 電路設計。BG 電路在功能上產(chǎn)生一個與溫度和電源變化都無關的電壓基準［12］。如圖9，BG電路在功能上分為零溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路、自偏置電路、運放電路、啟動電路。由于BG電路與LDO電路中的自偏置電路、運放電路、啟動電路均采用了相同的電路結(jié)構，不再贅述。

零溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路。由于現(xiàn)實工藝和物理特性的限制，實際生產(chǎn)中不可能直接得到不受溫度影響的電子元器件。但是，對于隨溫度變化而變化方向相反的電壓V1和V2，利用電路構建系數(shù)α1和α2使得，這樣就得到了具有零溫度系數(shù)的電壓基準［1］。研究表明，雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓，即pn 結(jié)的正向電壓，具有負溫度系數(shù)特性，而兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極-發(fā)射極電壓之差與絕對溫度成正比。這樣既得到了負溫度系數(shù)電壓又得到了正溫度系數(shù)電壓，依據(jù)以上原理，大部分設計參考文獻采用了圖10的結(jié)構［12］。

圖10 零溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路

如圖10。A 是一個深度負反饋的運算放大器，目的是鉗制X、Y 兩點的電壓相等，VY=VY［15］。接著，分析可以得出，電阻R3兩端的電壓就是兩個雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓差，VR3=VBE1-VBE2=VTln n。這里，假設兩支路的電流相等，Q2實際上被分割為n 份，流經(jīng)每一份的電流都是。右側(cè)支路電流為VTln n/R3，因此輸出電壓為

這個電壓中既有溫度負相關電壓VBE2，也有溫度正相關電壓VT，接下來只要保證系數(shù)相等那么輸出電壓的溫度系數(shù)就能達到零。

不同于圖10 的電路結(jié)構，本文設計的的零溫度系數(shù)電壓是由電流主導的形式。

如圖11。電路被劃分為三個平行的支路，與電源直接相連的是尺寸相同的場效應管，組成電流鏡結(jié)構。假設三個支路的電流分別為I1、I2、I3，那么依據(jù)電流鏡的原理有 I1=I2=I3=。VBE1 是Q1 的基極-發(fā)射極電壓，VBE2是Q2基極-發(fā)射極電壓。再根據(jù)上文原理講述的雙極晶體管的電壓及電壓差特性得到：

等式兩邊分別對溫度求導得：

為使Vout達到零溫度系數(shù)，只需其對溫度的導數(shù)為零，即保證：

圖11 電流主導的零溫度系數(shù)電壓電路

比較兩種方法不同的輸出電壓表達式即可發(fā)現(xiàn)本文設計的電路的優(yōu)勢。首先，本文設計的電路只需要調(diào)整電阻R5的阻值即可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整，并且不會影響正負溫度系數(shù)的比值。其次，由于采用電流鏡的結(jié)構，輸出支路被獨立出去不會影響內(nèi)部電路，故降低了負載變化對輸出電壓的影響。最后，電流鏡結(jié)構中處于飽和區(qū)的場效應管會一定程度上降低電源對此電路的影響能夠有效提高BG 電路的電源抑制比。在后續(xù)的仿真工作中，得到兩種不同的電路結(jié)構得到的溫度系數(shù)差異較大，本文設計的電路的溫度系數(shù)僅為傳統(tǒng)電路的一半。

3 LDO電路仿真

本節(jié)針對設計的電路的多個性能指標進行了仿真，并重點驗證了BG 電路在溫度系數(shù)性能參數(shù)上的表現(xiàn)［15］。

LDO 電源抑制比仿真。驗證LDO 電路對電源電壓噪聲的抑制能力［17］。如圖12，設置交流信號為1V，頻率變化范圍為1Hz～1GHz，在交流信號頻率為1kHz時，電源抑制比達到61.5dB，大于既定的60dB的指標。

圖12 LDO電路電源抑制比仿真

LDO 線性調(diào)整率仿真。表征當電源電壓發(fā)生變化時，輸出電壓能夠保持穩(wěn)定的能力［17］。在1.8V的電源電壓基礎上，串聯(lián)±100mV的方波，強制電源出現(xiàn)大范圍波動，得到輸出端變化如圖13。

圖13 LDO電路線性調(diào)整率仿真

當電源電壓變化為1.8V±100mV 時，輸出電壓在904.5mV～896.5mV 的范圍內(nèi)變化，約為900mV±4.5mV，量化計算：

LDO 負載調(diào)整率仿真。指LDO 電路的負載在發(fā)生變化時，輸出電壓減小變化量的能力［18］。仿真時加入輸出負載，并將負載電阻的阻值設置為1Ω～100Ω的變化量，其余條件均設置為理想狀態(tài)。仿真得到輸出電壓隨負載電阻的變化情況如圖14。

負載電阻從1Ω～8Ω變化時，輸出電壓陡升，變化幅度較大，證明在低負載的情況下，負載電路對LDO 影響較大。而在大于8.16Ω后，輸出電壓保持在0.9V 基本不變。選取負載變化范圍為10Ω～5kΩ，輸出電流的變化大小為75mA，輸出電壓變化約為0.8mV，則負載調(diào)整率為

圖14 LDO電路負載調(diào)整率仿真

圖15 LDO電路功耗仿真

LDO 功耗仿真。在LDO 電路正常工作狀態(tài)下，計算流過系統(tǒng)的總電流和總電壓的乘積。由于電流是隨著負載的變化而變化的，所以這里設置負載變化范圍1Ω～5kΩ，分析電流的變化情況。如圖15。當負載大于8Ω時，電路工作狀態(tài)正常，此時的電流先是隨著負載增大而下降，后超過2kΩ后，系統(tǒng)電流趨于穩(wěn)定，約為1.69mA［19］。

LDO 輸入輸出最低電壓差仿真。為得到輸入輸出電壓的最小壓差，設計仿真為，輸入電壓從額定的1.8V 逐漸下降，觀察輸出電壓的情況，找到輸出電壓開始出現(xiàn)較大變化的閾值。如圖16。

圖16 LDO電路輸入輸出壓差仿真

觀察到臨界點為0.94867V，當輸入端電壓大于該值時，輸出電壓相對穩(wěn)定，約為0.9V，當電源電壓小于該值時，輸出電壓出現(xiàn)陡降，電路線性度較差，開始不穩(wěn)定。利用臨界點計算輸入輸出電壓差：

Vin-Vout=0.94867V-0.9V=48.67mV

LDO電路噪聲仿真。利用軟件工具，仿真得到LDO電路輸入輸出噪聲如圖17和圖18［20］。

圖17 LDO電路輸入噪聲

圖18 LDO電路輸出噪聲

BG 電路溫度系數(shù)仿真。溫度系數(shù)反映了電路受溫度變化影響的程度［20］。這里單獨對BG電路進行溫度系數(shù)仿真，設置溫度變化范圍-50℃～125℃，仿真得到此區(qū)間內(nèi)輸出電壓的變化情況如圖19。

計算溫度系數(shù)如下：

在相同的仿真條件下，采用前文提到的另一種電路實現(xiàn)方式，仿真得到的溫度系數(shù)為65.5ppm/℃，表現(xiàn)的不如本文設計的電路。

4 結(jié)語

本文設計了一款基于28nm工藝的低功耗低噪聲低壓差線性穩(wěn)壓器，功能上可以穩(wěn)定輸出0.9V的電壓，最大提供100mA 的工作電流。通過仿真得到的性能參數(shù)，本文設計的LDO 電路的各項性能均已達到設計指標。創(chuàng)新設計的電流驅(qū)動的零溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路，相較于傳統(tǒng)的結(jié)構在溫度系數(shù)方面表現(xiàn)得更加出色。綜合上文仿真結(jié)果，得到電路的性能參數(shù)如表1。

表1 電路仿真參數(shù)表