吳 琦,胡注嬌,向 旭,王俊宇,2
(1.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201203; 2.珠海復(fù)旦創(chuàng)新研究院,廣東 珠海 519000)
在新興的醫(yī)療電子產(chǎn)品中,植入式醫(yī)療電子設(shè)備具有十分廣闊的應(yīng)用前景,通過將這類裝置植入皮膚表層下方,醫(yī)生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)患者身體表征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,為診斷提供更加全面且可靠的參考數(shù)據(jù),例如測(cè)量血壓、血糖等.未來這項(xiàng)技術(shù)甚至還有望用于治療帕金森、癲癇等疾病[1].但由于電池體積巨大、續(xù)航能力不足等多方面因素的制約,這類植入式電子產(chǎn)品的推廣受到了一定的限制.為減小電池體積,提高電池續(xù)航能力,無線能量傳輸成為一個(gè)熱門的研究方向,即使用整流器將無線傳輸?shù)慕涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)化為直流電壓,然后通過一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator, LDO)進(jìn)行穩(wěn)壓,由LDO的輸出為后級(jí)系統(tǒng)供電.
射頻識(shí)別系統(tǒng)可以根據(jù)讀寫器和標(biāo)簽之間通信頻率的不同分為4大類: 低頻(Low Frequency, LF)、高頻(High Frequency, HF)、超高頻(Ultra High Frequency, UHF)和微波(Microwave, MW)[2].由于超高頻和微波信號(hào)在生物組織內(nèi)衰減比較嚴(yán)重,目前大多數(shù)植入式醫(yī)療電子產(chǎn)品中,均采用低頻或高頻兩個(gè)頻段進(jìn)行能量傳輸,其中最廣泛使用的是由國際通信聯(lián)盟無線電通信局制定的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段,即13.56MHz(https:∥en.wikipedia.org/wiki/ISM_band).當(dāng)后級(jí)電路中存在對(duì)紋波比較敏感的模擬或射頻模塊時(shí),就特別需要設(shè)計(jì)一款在ISM頻段具有較高電源抑制比(Power Supply ripple Rejection Ratio, PSRR)的LDO.
LDO電路在設(shè)計(jì)中需要考慮多方面因素,針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)LDO的功耗、紋波、瞬態(tài)響應(yīng)速度等電路性能都有不同要求.在上文提到的植入式醫(yī)療電子設(shè)備這一應(yīng)用場(chǎng)景,主要需要考慮兩方面的性能指標(biāo): 1) 低功耗特性,植入式系統(tǒng)的功耗過高易導(dǎo)致患者體內(nèi)溫度上升、輻射場(chǎng)強(qiáng)增大等一系列生物兼容性問題,會(huì)對(duì)人體造成傷害;2) 高電源抑制比,為避免整流器輸出信號(hào)的紋波對(duì)后級(jí)微小神經(jīng)信號(hào)產(chǎn)生干擾,需重點(diǎn)提高LDO電路在ISM頻段上的電源抑制比.
綜合上述分析,本設(shè)計(jì)中LDO電路的性能指標(biāo)如表1(見第720頁)所示,為了提升電路性能的可靠性,設(shè)計(jì)時(shí)在LDO電路輸出節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)2.2μF的大電容,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定.
表1 本設(shè)計(jì)中LDO電路的性能指標(biāo)
為降低LDO電路電源抑制比,目前相關(guān)文獻(xiàn)中主要提到了4種方法: (1) 在輸入信號(hào)與LDO之間接入一個(gè)RC濾波器,濾除高頻紋波信號(hào)[3],這種方法最大的缺點(diǎn)是需要使用大電容來獲得比較低的轉(zhuǎn)折頻率,會(huì)消耗很非常大的面積,不符合本文針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景;(2) 級(jí)聯(lián)LDO[4]或級(jí)聯(lián)傳輸管[4],這種方法主要改善的是低頻段的PSRR特性,對(duì)高頻紋波的濾除效果非常有限,且會(huì)因?yàn)榧?jí)聯(lián)增加輸入到輸出之間的壓降,降低整體效率,同時(shí)由于多使用一個(gè)LDO電路,整體功耗也會(huì)增大;(3) 前饋紋波消除技術(shù),即將傳輸管的柵極和源極電壓保持為常數(shù),這樣通過柵源放大得到的漏極電流將不再受電源紋波的影響[5-7],但這種方案中額外的前饋及求和放大器都需要有足夠大的帶寬,因此需要很大的偏置電流,大大增加電路功耗,不符合低功耗設(shè)計(jì)要求;(4) 利用高頻段傳輸管柵極電壓與源級(jí)電壓的關(guān)系[8],從電容角度構(gòu)造負(fù)電容,在理論上實(shí)現(xiàn)柵極和源極小信號(hào)電壓在高頻段保持一致,從而在傳輸管柵源放大過程中抵消紋波影響,但這種方法所改善的頻段較窄,在0.6~1MHz之間可達(dá)到-76dB,但在ISM頻段上的電源抑制比約為0.
圖1 LDO電路的交流小信號(hào)模型Fig.1 Small-signal equivalent model of LDO
為解決上述傳統(tǒng)優(yōu)化方案中存在的問題,本文提出一種新的前饋紋波消除辦法,在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上重點(diǎn)改善高頻段的電源抑制比.
LDO結(jié)構(gòu)主要由3部分組成: 誤差放大器(Error Amplifier, EA)、傳輸管(MP)、反饋電阻(R1、R2).利用圖1所示的交流小信號(hào)模型進(jìn)行分析,LDO輸出節(jié)點(diǎn)處的紋波主要來由兩部分組成: 一是電源電壓小信號(hào)通過輸入節(jié)點(diǎn)Vin到輸出節(jié)點(diǎn)Vout和輸出節(jié)點(diǎn)Vout到地之間的小信號(hào)阻抗分壓,記為Ao1;另一部分是通過傳輸管MP的柵源放大得到的紋波,記為Ao2.具體計(jì)算方法如式(1)~(3)所示:
(1)
(2)
(3)
其中:rds為傳輸管的導(dǎo)通電阻;ZL為輸出阻抗;gmp為傳輸管跨導(dǎo);AOL為環(huán)路直流開環(huán)增益;βFB為反饋系數(shù).
由此可見,改善LDO電路的電源抑制比特性主要的優(yōu)化辦法有如下幾種:
1) 令Vg/Vin=1,從而消除Ao2項(xiàng),提高電源抑制比.但是這種方法隨著頻率的增加,LDO主環(huán)路的增益將發(fā)生衰減,導(dǎo)致PSRR性能隨之衰減;
2) 增加環(huán)路帶寬,通過保持帶寬內(nèi)的環(huán)路增益來抑制紋波,改善PSRR性能,但這種增大帶寬的方法必然會(huì)引起功耗增加,同時(shí)帶寬增大也會(huì)對(duì)環(huán)路的穩(wěn)定性造成不利的影響;
3) 通過前饋,從電源Vin引一條支路到Vg點(diǎn),使得Ao1+Ao2=0,這種方法能夠在較大頻率范圍內(nèi)獲得很好的電源抑制,但會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,同時(shí)增加的前饋模塊會(huì)需要更多的電流,導(dǎo)致電路的功耗加大.
圖2 本文提出的LDO電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of proposed LDO
本文提出的優(yōu)化方案就是以第一種方法為基礎(chǔ),加入針對(duì)高頻段PSRR性能進(jìn)行優(yōu)化的紋波消除支路,具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.通過加入緩沖級(jí)(M1、M2)和PSRR增強(qiáng)模塊(PSRR-EN),達(dá)到對(duì)電源抑制比的優(yōu)化.
PSRR-EN模塊的工作原理為: M3管作為一個(gè)二極管方式連接的MOS管,其源極的電源信號(hào)Vin的紋波可以傳到LPF輸入端,通過這個(gè)RC低通濾波器,將其中的高頻紋波濾除.M2管的柵極是濾除了高頻紋波的信號(hào),而M2管的源極為包含了電源紋波的信號(hào),因此,在M2管柵源放大的過程中仍然保留了紋波信號(hào),即傳輸管柵極電源噪聲近似等于Vin,再通過傳輸管的柵源放大作用即可消除紋波信號(hào)[9],即Vg/Vin=1.由此,LDO電路電源抑制比得到了改善.
圖3 LDO等效電路模型[10]Fig.3 Equivalent circuit model of LDO[10]
為了使電源抑制比分析更加簡(jiǎn)明,需要對(duì)LDO電路進(jìn)行簡(jiǎn)化,圖3為電源抑制比小信號(hào)等效分壓模型[10],其中:ZO由反饋電阻網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載阻抗和濾波電容組成;ZP由傳輸管等效電阻和電容組成;ZShunt為閉環(huán)反饋的等效模型,它的計(jì)算公式為:
(4)
其中:AEA為誤差放大器增益;GP為傳輸管跨導(dǎo);βFB為反饋系數(shù).
因此電源抑制比為:
(5)
根據(jù)該模型可以分析電源抑制比在不同頻率附近的情況,其中:PO為主輸出極點(diǎn);PEA為誤差放大器輸出極點(diǎn);fZO為由負(fù)載電容的串聯(lián)等效電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)引入的零點(diǎn);ZEA為誤差放大器輸出端的補(bǔ)償零點(diǎn);PBuf為緩沖級(jí)輸出極點(diǎn);fP為傳輸管特征頻率;CO、CB、CL分別是輸出電容、旁路電容、負(fù)載電容,RESR為負(fù)載電容的串聯(lián)等效電阻.
1) 頻率0~PO:
(6)
2) 頻率PO~PEA,PEA~fZO:
(7)
3) 頻率增大到使得ZO=ZShunt:
(8)
4) 頻率ZEA~PBuf:
圖4 電源抑制比隨頻率變化曲線Fig.4 Curve of PSRR varying with frequency
(9)
5) 頻率PBuf~fP:
(10)
6) 頻率fP以上:
(11)
根據(jù)以上分析可以繪出PSRR隨頻率變化的大致曲線如圖4所示.
在傳輸管的選取時(shí),主要考慮兩方面的因素: 第一,能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力,對(duì)于較大負(fù)載的情況,需要選擇較大尺寸的傳輸管,并要考慮該尺寸的傳輸管可以在不同的工藝、溫度下都能滿足最大負(fù)載的要求;第二,盡可能地提高效率,LDO的效率和LDO電路的壓差呈反比,具體計(jì)算公式如式(12)所示,其中Iq為靜態(tài)電流.由此可見,要盡量減小LDO的壓差,以提高電路能效.
(12)
此外,在傳輸管選取時(shí)N型和P型也有區(qū)別.N型傳輸管輸出阻抗較低,在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí),LDO環(huán)路可以快速反應(yīng),獲得較好的瞬態(tài)響應(yīng)特性.P型傳輸管與此相反,它具有較高的輸出阻抗,但是由于P型管導(dǎo)通所需的控制電壓只需要比輸出電壓高一個(gè)Vdsat,而N型傳輸管導(dǎo)通所需要的控制電壓為(Vdsat+Vgs),因此P型傳輸管在能效方面具有更大的優(yōu)勢(shì).本文設(shè)計(jì)針對(duì)的是一個(gè)低功耗的應(yīng)用環(huán)境,因此選擇PMOS管作為傳輸管可以獲得更好的電路性能.
對(duì)環(huán)路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,如圖2所示,主環(huán)路中的主要極點(diǎn)分別用①、②、③標(biāo)注.由于輸出節(jié)點(diǎn)③處有一個(gè)2.2μF的大電容,因此將3號(hào)點(diǎn)為環(huán)路主極點(diǎn),1、2號(hào)點(diǎn)為次極點(diǎn),由于負(fù)載電容COUT的ESR效應(yīng)可獲得一個(gè)零點(diǎn),可以用來抵消電路中的2號(hào)極點(diǎn),因此還需要再引入一個(gè)零點(diǎn)來對(duì)1號(hào)極點(diǎn)進(jìn)行抵消.
設(shè)計(jì)時(shí),在1號(hào)節(jié)點(diǎn)處增加了一個(gè)RC串聯(lián)到地的支路,從而引入了一個(gè)零點(diǎn).現(xiàn)分析該RC支路對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響,如下圖5所示,Rcomp和Ccomp為增加的RC串聯(lián)支路,而REA和CEA為原電路中該節(jié)點(diǎn)處的等效電容和電阻.當(dāng)增加了補(bǔ)償?shù)腞C支路后,1號(hào)節(jié)點(diǎn)處的極點(diǎn)和零點(diǎn)位置發(fā)生變化,一方面增加了一個(gè)零點(diǎn)Zcomp,另一方面由于該節(jié)點(diǎn)處的原等效電容CEA遠(yuǎn)小于Ccomp,因此該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際等效電容由CEA變?yōu)镃comp,原有的極點(diǎn)位置發(fā)生了很大的改變,向原點(diǎn)方向移動(dòng)到了頻點(diǎn)PEA處.同時(shí),還新引入了一個(gè)極點(diǎn)Pnew,但是由于Pnew大于Zcomp,而且遠(yuǎn)大于環(huán)路帶寬,因此可以忽略Pnew對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響,具體計(jì)算如式(13)~(15):
(13)
(14)
(15)
根據(jù)上述分析,對(duì)于1號(hào)極點(diǎn)而言,引入的RC補(bǔ)償支路的最終影響是將原本的極點(diǎn)位置移到了1/(2πREACcomp)處,同時(shí)還引入了一個(gè)零點(diǎn)1/(2πRcompCcomp),為了讓這一對(duì)零極點(diǎn)相互抵消,只需要設(shè)置Rcomp,令其與REA大小相等即可.而2號(hào)極點(diǎn)由輸出電容的ESR效應(yīng)引入的零點(diǎn)抵消,從而最終環(huán)路中只剩下3號(hào)點(diǎn)的主極點(diǎn),整個(gè)LDO主環(huán)路形成了類似單極點(diǎn)的穩(wěn)定系統(tǒng),如圖6所示.
圖5 RC補(bǔ)償電路原理圖Fig.5 Principle diagram for RC compensation ciruit
圖6 環(huán)路穩(wěn)定性分析示意圖Fig.6 Diagram for stability analysis of the loop
由于設(shè)計(jì)指標(biāo)中最大負(fù)載電流為5mA,因此根據(jù)負(fù)載為3mA時(shí)的直流工作點(diǎn),代入輸出電容COUT=2.2F,等效電阻RESR≈100mΩ,可以計(jì)算出零極點(diǎn)的估算頻點(diǎn)如下:
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
由此可見,除輸出主極點(diǎn)外,其余極點(diǎn)PEA和PBuf分別被零點(diǎn)Zcomp和ZESR很好地補(bǔ)償了,理論計(jì)算中環(huán)路穩(wěn)定性得到滿足.
根據(jù)前一章節(jié)對(duì)電源抑制比隨頻率變化關(guān)系的分析,在低頻時(shí)電源抑制比與環(huán)路開環(huán)增益的關(guān)系如 式(6)所示,由此可以推算出,當(dāng)?shù)皖lPSRR要求為40dB時(shí),主環(huán)路的反饋系數(shù)為1時(shí),所需要的開環(huán)增益為100以上.根據(jù)誤差放大器增益與環(huán)路開環(huán)增益的關(guān)系,可以進(jìn)一步推算出誤差放大器的增益至少為33dB.
根據(jù)線路調(diào)整率(Line Regulation)和誤差放大器增益和緩沖級(jí)增益以及反饋系數(shù)的關(guān)系式為:
(21)
在已根據(jù)系統(tǒng)需求確定線路調(diào)整率要求為不超過10mV/V,可以推算出滿足該條件所需的誤差放大器增益AEA不得小于40dB.綜合上述分析,最終誤差放大器選取的是鏡像放大器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于較高的直流增益和較大的輸出電壓擺幅.
由于緩沖級(jí)為源極跟隨結(jié)構(gòu),因此LDO電路在低頻段的電源抑制比計(jì)算公式(6)可以轉(zhuǎn)化為式(22):
(22)
通過對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行仿真,可知誤差放大器直流增益為55dB,傳輸管的跨導(dǎo)值為42.53mS.當(dāng)負(fù)載電流為1mA時(shí),開環(huán)等效輸出阻抗約為70Ω.將參數(shù)代入式(22)可計(jì)算出本設(shè)計(jì)中的PSRR在低頻段的理論值約為-65dB.
本文中的LDO電路在SMIC 0.13μm工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì),為保證電路工作性能及可靠性,在版圖設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)傳輸管和誤差放大器等幾個(gè)重要模塊,進(jìn)行了專門的優(yōu)化,最終LDO芯片版圖全局圖如圖7所示,版圖核心部分的面積約為0.081mm2.
對(duì)LDO電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行后仿,總的靜態(tài)電流約為30μA,其中誤差放大器20μA、緩沖級(jí)10μA.針對(duì)100μA、1mA、5mA 3種不同的負(fù)載情況,對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性進(jìn)行后仿,即使在最差的工藝角下,相位裕度也能達(dá)到47°滿足設(shè)計(jì)要求.當(dāng)輸入電壓從1.5V跳變到1.7V時(shí),輸出電壓變化為0.396mV,可知電路的線路調(diào)整率為1.98mV/V.當(dāng)負(fù)載電流從100μA跳變到5mA時(shí),輸出電壓變化為6mV,可知電路的負(fù)載調(diào)整率為1.22mV/mA.
接著,在負(fù)載為1mA時(shí),對(duì)電路電源抑制比優(yōu)化情況進(jìn)行仿真,對(duì)比加入PSRR-EN模塊前后的電路PSRR數(shù)值,可以明顯看出PSRR增強(qiáng)的效果,詳情如表2所示.仿真值略低于理論計(jì)算值,因?yàn)樵诶碚撚?jì)算中會(huì)忽略寄生參數(shù).
圖7 LDO芯片版圖全局圖Fig.7 Global graph for layout of LDO
表2 PSRR-EN模塊使用前后LDO性能對(duì)比
Tab.2 Performance comparison of the LDO with/without PSRR-EN module
PSRR-EN模塊PSRR/dB@100kHz@1MHz@10MHz有-9-63-63無-49-57-62
在SMIC 0.13μm工藝下流片后,完成電路性能的測(cè)試驗(yàn)證,主要測(cè)量了負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率、電源抑制比等3方面的性能.
在測(cè)量負(fù)載調(diào)整率時(shí),采用了MOS管與滑動(dòng)電阻串聯(lián)的方式,將MOS管當(dāng)作開關(guān)來控制該路負(fù)載的通和斷,從而實(shí)現(xiàn)輸出負(fù)載電流的大小的跳變.圖8(a)為負(fù)載調(diào)整率測(cè)試結(jié)果,圖中方波脈沖為控制負(fù)載的開關(guān)管的柵極電壓,高電平時(shí)開關(guān)導(dǎo)通,負(fù)載電流為4.982mA,低電平時(shí)開關(guān)關(guān)斷,負(fù)載電流降低為105.12μA,因此負(fù)載電流變化值為4.877mA,而此過程中輸出電壓變化為2.45mV,由此可計(jì)算得到負(fù)載調(diào)整率大小為0.502mV/mA,與負(fù)載調(diào)整率的后仿結(jié)果1.22mV/mA相比略小一些,符合應(yīng)用需求.
在測(cè)量線性調(diào)整率時(shí),在VDD處施加一個(gè)階躍的方波信號(hào)即可,如圖8(b)為線性調(diào)整率測(cè)試結(jié)果,圖中方波脈沖為電路的輸入電壓,當(dāng)輸入電壓從1.5V跳變?cè)龃蟮?.7V時(shí),輸出電壓的穩(wěn)態(tài)變化大小為1.07mV,由此可計(jì)算得到LDO的線路調(diào)整率為5.35mV/V,與線性調(diào)整率的后仿結(jié)果1.98mV/V相比略微增大.這一偏差主要是因?yàn)閷?shí)際的測(cè)試電路中偏置電流略大于設(shè)定值所導(dǎo)致,實(shí)際誤差放大器增益比設(shè)定值略小,而線性調(diào)整率與誤差放大器的增益成反比,故實(shí)際的線性調(diào)整率比后仿結(jié)果略大.此外,在輸入電壓發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí),由于MOS管的柵漏電容迅速充電,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最大值為7.5mV的過充電壓,大約是所需穩(wěn)態(tài)輸出電壓的0.7%,基本滿足應(yīng)用要求.
在測(cè)試電源抑制比時(shí),利用信號(hào)發(fā)生器提供固定頻率的正弦波,使用示波器測(cè)量該頻率下的輸入輸出電壓,通過示波器的快速傅里葉變換(FFT)功能直接計(jì)算得到該頻率下的電源抑制比PSRR,為避免示波器精度不夠影響測(cè)量結(jié)果,在電路輸出端引入低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)放大輸出紋波.圖8(c)為13.56MHz時(shí)的PSRR測(cè)試示波器顯示的FFT波形,從圖中可以直接讀取該頻率下的電源抑制比.調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率,可以分別測(cè)出不同頻點(diǎn)下的PSRR數(shù)值,根據(jù)這些孤立頻點(diǎn)的PSRR值繪制出電源抑制比頻率變化的曲線,如圖8(d)所示.由于儀器測(cè)量范圍限制,本文中的電源抑制比最大可測(cè)范圍僅達(dá)到20MHz.由圖中可以讀出,在無線能量傳輸最廣泛使用的ISM頻段,本設(shè)計(jì)的電源抑制比為-72dB,基本滿足應(yīng)用需求.
圖8 LDO電路性能測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test result for the performance of LDO circuit
將電源抑制比測(cè)試結(jié)果與同類型論文的電路進(jìn)行對(duì)比,如表3所示,其中所有參考文獻(xiàn)的性能都是在負(fù)載為1mA時(shí)測(cè)量.
表3 電源抑制比性能對(duì)比
本文首先對(duì)LDO電路的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,總結(jié)降低電源抑制比的各種方法,然后針對(duì)無線能量傳輸這一典型的應(yīng)用環(huán)境,提出通過紋波消除支路改善高頻的電源抑制比的設(shè)計(jì),最后在SMIC 0.13μm工藝下流片驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明: 當(dāng)負(fù)載電流為1mA時(shí),在100kHz電源抑制比為-63dB,在1MHz電源抑制比為-87dB,在10MHz電源抑制比為-73dB,在20MHz電源抑制比為-82dB.
復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2019年6期