用于低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出精密微調(diào)設(shè)計技術(shù)*

牟云飛，佟星元

(西安郵電大學(xué)，陜西省通信專用集成電路設(shè)計工程研究中心，西安710121)

MU Yunfei，TONGXingyuan*

(Communication ASIC Design Engineering Center，Xi’an Univ．of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China)

生活中對高效節(jié)能電子產(chǎn)品的迫切需求推動著電源管理技術(shù)的不斷發(fā)展，作為電源管理芯片中的關(guān)鍵模塊，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO:Low Dropout regulator)具有壓差低、效率高以及響應(yīng)快等優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛［1－2］。目前已有不少文獻對高性能LDO 做了深入研究［1－5］。其中，文獻［1］基于高擺率、推拉式輸出的放大器設(shè)計了一種具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓器。文獻［2］基于嵌入式無線血壓傳感器的應(yīng)用需求，利用MOS管替代傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)中的電阻網(wǎng)絡(luò)，以減小芯片面積。文獻［3］基于90nm CMOS設(shè)計了一種0．9V輸出電壓的LDO，通過在環(huán)路中引入小增益中間級，在不增加低頻極點的情況下提高了環(huán)路增益，具有較快的響應(yīng)速度。文獻［4］提出了一個具有4種輸出電壓的LDO，通過在誤差放大器和調(diào)整管之間插入緩沖器，改善了LDO電源抑制比和瞬態(tài)響應(yīng)。文獻［5］描述了一種具有單一固定輸出電壓的LDO，在無輸出大電容的條件下，提出了穩(wěn)定LDO輸出電壓、改善瞬態(tài)特性的有效方法。然而，目前已有的成果大多是針對LDO的面積、功耗和響應(yīng)速度等指標(biāo)進行優(yōu)化，并未針對固定的輸出電壓提出可微調(diào)設(shè)計，對于高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用，往往需要非常穩(wěn)定的電源電壓和基準(zhǔn)［6］，這要求嵌入其中的LDO具有比較精確的輸出微調(diào)能力。

在以上應(yīng)用需求下，本文提出了一種基于可微調(diào)電阻梯的LDO輸出精密微調(diào)技術(shù)，并在65 nm CMOS工藝下進行了電路設(shè)計和仿真驗證，輸出電壓在1．02 V ～1．36 V 范圍內(nèi)，可按 0．02 V/step的最小步長進行微調(diào)，能有效減小由電源波動、溫度漂移等因素引起的輸出誤差，非常適合高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電路系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 LDO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LDO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括基準(zhǔn)產(chǎn)生電路、誤差放大器、MOS調(diào)整管MP和反饋網(wǎng)絡(luò)。其中，帶隙基準(zhǔn)電壓源為系統(tǒng)內(nèi)部提供一個精確的基準(zhǔn)電壓Vref，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)得到一個反饋電壓Vf，誤差放大器將反饋電壓Vf與基準(zhǔn)電壓Vref進行比較放大，Vf與Vref之間的誤差信號經(jīng)放大后控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，形成負(fù)反饋，進而調(diào)整輸出電壓Vout的變化，使其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。

圖1 LDO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了使輸出電壓可微調(diào)，在反饋網(wǎng)絡(luò)中引入了可調(diào)電阻梯，通過控制信號ct＜4:0＞對電阻Rtrim進行微調(diào)，進而調(diào)節(jié)LDO的輸出電壓。輸出電壓可表示為:

2 電路設(shè)計

2．1 可微調(diào)電阻反饋網(wǎng)絡(luò)

本文設(shè)計的可微調(diào)電阻梯如圖2所示，整個模塊Rtrim包含32個單位電阻R0～R31、5個邏輯控制信號ct＜4:0＞，其中ctv＜4＞為 ct＜4＞的反相信號，端口A和B之間的32個單位電阻以串聯(lián)的形式連接，單位電阻阻值為R。通過調(diào)整控制信號ct＜4:0＞的邏輯值，可實現(xiàn)對電阻梯Rtrim阻值的微調(diào)，可微調(diào)電阻梯的阻值如下:

圖2 反饋網(wǎng)絡(luò)中的可微調(diào)電阻梯

整個LDO的輸出微調(diào)步長Δ為:2R×Vref/Rf。

本文闡述的可微調(diào)電阻梯的阻值以及LDO的輸出與微調(diào)邏輯控制信號的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)ct＜4:0＞ =00000或11111時，Rtrim=16 R，設(shè)計 Vout=Vf+8Δ =1．2V，根據(jù) ct＜4:0 ＞ 的取值，在 Vf～(Vf+16Δ)范圍內(nèi)進行微調(diào)。

表1 LDO輸出電壓與微調(diào)控制信號對應(yīng)關(guān)系表

考慮納米級CMOS嵌入式SoC的應(yīng)用需求，模擬電路采用2．5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，數(shù)字電路采用1．2 V電壓。在設(shè)計過程中，可微調(diào)電阻梯中的邏輯控制信號都由電平轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，本文采取文獻［7］中提出的電平轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2．2 環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計

LDO是一個閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，需要考慮其環(huán)路的穩(wěn)定性。整個LDO的等效結(jié)構(gòu)可簡化為圖3所示，該LDO有兩個極點，分別為LDO的輸出極點P1和誤差放大器的輸出極點P2，其中，P2可表示如下:

圖3 LDO等效電路圖

其中，AMp為調(diào)整管MP的電壓增益，r0和c0分別為誤差放大器的交流輸出電阻和輸出電容，Cgd可看做密勒補償電容。為了降低LDO的壓差，調(diào)整管MP一般尺寸較大，使得Cgs較大，極點P2處于較低的頻率。為了保證足夠的相位裕度，LDO在使用過程中一般會外加一補償電容。為了增強應(yīng)用的靈活性，本文設(shè)計了片上電容CL，將P1推向低頻，作為主極點，可近似表示為:

基于Spectre仿真工具對電路進行了仿真，圖4所示是LDO環(huán)路的AC仿真結(jié)果，環(huán)路增益約為47 dB，相位裕度為 67°。

圖4 LDO AC仿真結(jié)果

2．3 電壓基準(zhǔn)電路

電壓基準(zhǔn)電路用來為芯片提供一個受電源、工藝以及溫度變化影響很小的電壓，主流結(jié)構(gòu)是帶隙基準(zhǔn)電路。目前已有很多基于非線性曲線校正、高階曲率補償?shù)南嚓P(guān)成果［8－9］。為了保證嵌入式模塊電路的結(jié)構(gòu)簡單，本文設(shè)計了一種具有一階溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)電路，如圖5所示。在2．5 V電源電壓下，帶隙基準(zhǔn)的輸出參考電壓1．003 V，在溫度從－40℃到 120℃范圍變化時，溫度系數(shù)為 37．3×10－6/℃。

圖5 電壓基準(zhǔn)電路

3 版圖設(shè)計與優(yōu)化

整個LDO電路基于65 nm CMOS工藝進行版圖設(shè)計，包括補償電容在內(nèi)，面積為93．2μm×71μm，如圖6所示。

為了減小納米級CMOS工藝誤差以及工藝不穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，本文充分考慮了整體的布局布線和核心模塊中關(guān)鍵器件的匹配。首先，對電壓基準(zhǔn)電路以及可微調(diào)電阻梯中的電阻進行了匹配性設(shè)計，所有電阻均由單位Poly電阻組合而成，在電阻平行布局的同時，采取了dummy電阻保護，以保證電阻之間比值的準(zhǔn)確性。其次，誤差放大器中的差分輸入對管采取共中心對稱布局以提高匹配性，減小輸入失調(diào)誤差。

4 設(shè)計結(jié)果與分析

基于本文提出的LDO輸出可微調(diào)設(shè)計技術(shù)，采用65 nm CMOS工藝，基于Cadence工具進行了電路設(shè)計，并在不同Corner下進行了仿真，驗證了可微調(diào)設(shè)計技術(shù)的實用性。整個LDO電源電壓輸入范圍為2．2 V ～5．0 V，在2．5 V 電源電壓、TT Corner下，帶隙基準(zhǔn)的輸出基準(zhǔn)電為1．003 V，在溫度為－40℃ ～120℃ 范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為 37．3×10－6/℃。在TT Corner、25℃條件下，當(dāng)控制信號ct＜4:0＞為00000或11111，LDO輸出電壓為1．198 V，變化曲線如圖7所示，當(dāng)電源電壓在2．2 V～5．0 V范圍內(nèi)變化時，輸出變化0．16 mV，線性調(diào)整率約為0．05 mV/V。

圖7 LDO輸出與輸入關(guān)系曲線

圖8給出了LDO的輸出在不同ct＜4:0＞條件下的結(jié)果，其中最小微調(diào)步長約為0．02 V/step。本文設(shè)計的電路中，R/Rf=1．5/100，微調(diào)步長的理論值Δ=2R×Vref/Rf應(yīng)為0．03 V/step。由于邏輯控制開關(guān)由MOS管實現(xiàn)，MOS管具有一定的內(nèi)阻，當(dāng)MOS管閉合時，并不能將相應(yīng)部分的電阻完全短路，因此，實際微調(diào)步長比理論值偏小，約為0．02 V/step。在ct＜4:0＞ =5'b0或5'b1時，Vout在理論上應(yīng)相等，但在兩種情況下，由于實際開關(guān)和電阻的組合方式不同，輸出結(jié)果略有差異。通過調(diào)整控制信號ct＜4:0＞的邏輯值，可對LDO的輸出電壓在1．02 V ～1．36 V范圍內(nèi)微調(diào)。

圖8 LDO輸出微調(diào)結(jié)果

5 總結(jié)

提出了一種用于LDO的輸出精密微調(diào)方法，在此基礎(chǔ)上，基于65 nm CMOS工藝進行了電路設(shè)計、版圖設(shè)計和仿真驗證，整個LDO的輸入電壓范圍約為2．2 V～5．0 V，通過調(diào)節(jié)可微調(diào)電阻梯的大小，輸出電壓能夠在1．02 V～1．36 V范圍內(nèi)按最小步長0．02 V/step進行微調(diào)，能夠有效減小由電源波動、溫度漂移等因素引起的輸出誤差。在輸出電壓為1．2 V時，線性調(diào)整率約為0．05 mV/V，滿足高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)應(yīng)用。

［1］ Tsz Y M，Philip K TM，Mansun C．A High Slew-Rate Push-Pull Output Amplifier for Low-Quiescent Current Low-Dropout Regulators with Transient-Response Improvement［J］．IEEE Trans on Circuits and Systems－Ⅱ:Express Briefs，2007，54(9):755 －759．

［2］ Crepaldi PC，Pimenta T C，Moreno R L，et al．A Low Power CMOS Voltage Regulator for a Wireless Blood Pressure Biosensor［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，61(3):729 －739．

［3］ Marco H，Ka-Nang L，Ki-Leung M．A Low-Power Fast-Transient 90-nm Low-Dropout Regulator with Multiple Small-Gain Stages［J］．IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(11):2466 －2475．

［4］ Ying-Cheng W，Chun-Yueh H，Bin-Da L．A Low Dropout Voltage Regulator with Programmable Output［C］//ICIEA 2009，2009:3357－3361．

［5］ Milliken R J，Silva-Martínez J，Sanchez-Sinencio E．Full On-Chip CMOSLow-Dropout Voltage Regulator［J］．IEEE Transactions on Circuits and Systems －Ⅰ:Regular Papers，2007，54(9):1879－1890．

［6］ 佟星元，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述［J］．西安郵電大學(xué)學(xué)報，2013，18(2):75 －80．

［7］ Tong X Y，Chen JM，Zhu Z M，et al．A High Performance 90 nm CMOSSAR ADC with Hybrid Architecture［J］．Journal of Semiconductors，2010，31(1):015002 －1．

［8］ 王紅義，來新泉，李玉山等，采用二次曲線校正的CMOS帶隙基準(zhǔn)［J］．電子器件，2007，30(4):1155－1158．

［9］ Tong X Y，Zhu Z M，Yang Y T．A 2．87 ×10－6/℃ 65 nm CMOS Bandgap Reference with Nonlinearity Compensation［J］．International Journal of Electronics，2011，98(9):1269 －1279．