22 nm低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

郭蘋蘋

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

集成電路的核心器件特征尺寸越來越小，傳統(tǒng)體硅器件的短溝道效應(yīng)變得越來越不可控，文獻(xiàn)[1]中提出，當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到28 nm后，全耗盡絕緣體上硅器件憑借其優(yōu)越的柵極控制能力和較低的漏電流，成為了替代體硅器件的一種選擇。該器件為平面型晶體管結(jié)構(gòu)，具有超薄頂層硅（SOI）和埋氧化層（BOX）結(jié)構(gòu)，BOX的存在使FDSOI器件有了更多的優(yōu)勢(shì)，主要包括4個(gè)方面：（1）襯底電容可忽略不計(jì)，因此可降低電源電壓，降低功耗；（2）沒有閂鎖效應(yīng)（Latch-up），電路不需要特殊布局；（3）具有理想的器件隔離，器件布局更加緊密；（4）具有較低的漏電流，可降低功耗。

Global Foundries 22 nm FDSOI工藝是目前較先進(jìn)的制造工藝，使用全耗盡絕緣體上硅器件，具有射頻、體偏壓和集成的優(yōu)點(diǎn)，為減小電路尺寸，提高電路性能，設(shè)計(jì)一款22 nm高性能低壓差線性穩(wěn)壓器是必要的；低壓差線性穩(wěn)壓器以其功耗低、壓差低、面積小和成本低等特點(diǎn)，被廣泛用于各種電子設(shè)備中[2]。本文基于該先進(jìn)工藝，設(shè)計(jì)了一款輸入電源電壓為1.8 V、輸出電壓為0.8 V、負(fù)載電流范圍為1μA～30 mA的可以為低壓低功耗模塊提供電源的低壓差線性穩(wěn)壓器。

1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本次設(shè)計(jì)的LDO電路的原理如圖1所示。

圖1 LDO整體架構(gòu)圖

LDO利用負(fù)反饋系統(tǒng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出穩(wěn)定的直流電壓的電源模塊，主要由基準(zhǔn)電路（Reference）、誤差放大器（EA）、功率器件（Pass Element）和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[3]，實(shí)際工程中根據(jù)需求一般還會(huì)包括柵極驅(qū)動(dòng)、頻率補(bǔ)償、過溫保護(hù)與過流保護(hù)等其他模塊[4]。

在LDO電路中，帶隙基準(zhǔn)電壓源的作用是提供穩(wěn)定的參考電壓，帶隙基準(zhǔn)電壓源是將正溫度系數(shù)的電壓與負(fù)溫度系數(shù)的電壓以不同的權(quán)重相加得到零溫度系數(shù)的電壓[5]；誤差放大器將基準(zhǔn)參考電壓VREF和反饋電壓VFB進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)，并將誤差信號(hào)放大后控制功率管的柵極電壓，改變流過功率管發(fā)電流大小，控制LDO輸出電壓的大小；采樣電阻比例的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)不同的電壓輸出，一般采樣電阻的阻值都較大，可降低功耗；功率管決定LDO的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)用來調(diào)節(jié)輸出電壓的變化讓其維持在一個(gè)恒定不變的值[6]。

LDO上電完成后電路啟動(dòng)，帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)參考電壓VREF，反饋網(wǎng)絡(luò)通過采樣為誤差放大器提供反饋電壓VFB，VFB與采樣電阻R1和R2的關(guān)系如式（1）所示：

當(dāng)VFB小于VREF時(shí)，通過環(huán)路控制作用，功率管的柵極電壓被拉低，使更多的電流流過負(fù)載，提高輸出電壓；當(dāng)VFB大于VREF時(shí)，功率管的柵極電壓被抬高，限制流過負(fù)載的電流大小，降低輸出電壓；當(dāng)VFB等于VREF時(shí)，反饋系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)[7]，此時(shí)，輸出電壓不變。

2 LDO電路設(shè)計(jì)

2.1 誤差放大器

LDO電路中的誤差放大器采用兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，相比于折疊運(yùn)放、套筒運(yùn)放，兩級(jí)運(yùn)放的開環(huán)增益更高，功耗和噪聲較低[8]。如圖2所示，第一級(jí)為典型的電流鏡負(fù)載差分放大器結(jié)構(gòu)，由NM0、NM1、NM2、PM0和PM1 5個(gè)管子構(gòu)成，用來提供更高的增益，第二級(jí)采用NMOS輸入共源放大結(jié)構(gòu)，由PM2、NM3構(gòu)成，用于放大輸出擺幅[9]。

圖2 兩級(jí)運(yùn)算放大器

第一級(jí)差分放大增益AV1：

式（2）中，gm1為NM1管子的跨導(dǎo)，rp1為PM1管子的輸出電阻，rN1為NM1管子的輸出電阻。

第二級(jí)共源級(jí)放大器的增益AV2：

式（3）中，gm3為NM3管子的跨導(dǎo)，rp2為PM2管子的輸出電阻，rN3為NM3管子的輸出電阻。

兩級(jí)運(yùn)放的增益AV：

兩級(jí)運(yùn)放的增益在低頻處可達(dá)60 dB以上。

2.2 功率管

PMOS功率管可以使功率級(jí)作為一個(gè)共源放大器結(jié)構(gòu)，為L(zhǎng)DO環(huán)路提供增益，同時(shí)，PMOS管漏源電壓VDS為L(zhǎng)DO的壓差，當(dāng)PMOS管處于飽和區(qū)時(shí)，很小的漏源電壓VDS就可以產(chǎn)生足夠的輸出電流[10]。若功率管采用NMOS管，NMOS管構(gòu)成的是源級(jí)跟隨器結(jié)構(gòu)，不能為L(zhǎng)DO環(huán)路提供增益，LDO的壓差是NMOS管的柵源電壓VGS，LDO的壓差大于NMOS管的閾值電壓VTH才能輸出較大的電流，這個(gè)數(shù)值通常很大。所以本文采用PMOS管作為功率管。

最大負(fù)載電流、版圖面積，漏失電壓都影響功率管尺寸的大小，PMOS功率管尺寸的選擇不僅要滿足所需要的負(fù)載電流，而且要盡可能減小功率管的尺寸來減小版圖面積，同時(shí)可以減小功率管的寄生電容，使環(huán)路更容易穩(wěn)定，功率管寬長(zhǎng)比的計(jì)算公式為：

式（5）中，IOUT，MAX為輸出負(fù)載電流最大值，μPOW為載流子的遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容，Vdsat為過驅(qū)動(dòng)電壓。

3 電路仿真

基于Global Foundries 22 nm FDSOI工藝完成LDO設(shè)計(jì)，在該工藝下，采用Cadence中的Spectre仿真工具對(duì)該電路的功能進(jìn)行了仿真。

3.1 LDO負(fù)載調(diào)整率仿真

負(fù)載調(diào)整率是指當(dāng)輸出負(fù)載電流變化時(shí)，LDO輸出電壓仍然能夠保持穩(wěn)定的能力，負(fù)載調(diào)整率越小越好。負(fù)載調(diào)整率仿真波形圖如圖3所示，當(dāng)輸出負(fù)載電流從1μA掃描到30 mA，LDO輸出電壓從800.62 mV變化到799.57 mV，變化了約1.1 mV，誤差很小，根據(jù)負(fù)載調(diào)整率的公式可以計(jì)算出該LDO的負(fù)載調(diào)整率：

圖3 LDO負(fù)載調(diào)整率仿真波形圖

3.2 LDO線性調(diào)整率仿真

線性調(diào)整率反應(yīng)的是LDO的低頻電源增益，是描述當(dāng)直流輸入電源電壓變化時(shí)，LDO是否能抑制這種變化仍然保持輸出電壓的穩(wěn)定。在負(fù)載電流ILoad=20 mA，溫度為25℃的情況下進(jìn)行仿真，仿真波形圖如圖4所示，從圖中可看出，當(dāng)電源電壓從1.1 V變化到2 V時(shí)，LDO的輸出電壓變化范圍很小，約為1.7 mV，由此可計(jì)算出LDO的線性調(diào)整率：

圖4 LDO線性調(diào)整率仿真波形圖

3.3 LDO電源電壓抑制比（PSRR）特性仿真

電源電壓抑制比是描述輸出電壓隨電源電壓變化而變化的特性，電源電壓抑制比越高，表明該LDO的抑制紋波能力越強(qiáng)。仿真結(jié)果如圖5所示，頻率從1 Hz掃描到1 GHz，在頻率為10 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的PSRR為61.26 dB，在10 MHZ對(duì)應(yīng)最低點(diǎn)，可達(dá)到51.47 dB，在高頻時(shí)PSRR會(huì)略有下降，這是因?yàn)楦哳l時(shí)運(yùn)放對(duì)電路有抑制作用。

圖5 LDO電源電壓抑制比仿真波形圖

3.4 LDO環(huán)路穩(wěn)定性仿真

LDO系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，環(huán)路穩(wěn)定性對(duì)于LDO是極其重要的，一般要求相位裕度要在60 dB以上。因此需對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，在負(fù)載電流為30 mA的條件下，LDO的stb仿真波形如圖6所示;在負(fù)載電流1μA的條件下，仿真波形圖如圖7所示。

根據(jù)圖6和圖7的仿真結(jié)果，當(dāng)負(fù)載電流為1μA時(shí)，LDO的低頻增益約為100 dB，相位裕度為86.31°，環(huán)路穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載電流為30 mA時(shí)，LDO的低頻增益約為69.68 dB，相位裕度為76°，環(huán)路穩(wěn)定;隨著輸出負(fù)載電流的增大，相位裕度下降，低頻增益降低，在1μA~30 mA時(shí)，相位裕度在76°~86.31°，低頻增益在69.68~100 dB，因此，在1μA~30 mA時(shí)，環(huán)路都有足夠的低頻增益且都保持穩(wěn)定。

圖6 負(fù)載電流30 mA時(shí)LDO穩(wěn)定性仿真波形圖

圖7 負(fù)載電流1μA時(shí)LDO穩(wěn)定性仿真波形圖

4 結(jié)論

本文基于Global Foundries 22 nm FDSOI先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)了一款22 nm的低壓差線性穩(wěn)壓器，該LDO結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能良好，通過將傳統(tǒng)的五管運(yùn)算放大器與共源放大器級(jí)聯(lián)組成了LDO的誤差放大器，該誤差放大器具有較高的增益且穩(wěn)定性好，仿真結(jié)果表明：在溫度為25℃，輸入電源電壓為1.8 V，LDO電路穩(wěn)定輸出電壓為800 mV，電路在1μA~30 mA都有較好的穩(wěn)定性，并且在負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率和電源電壓抑制比方面都表現(xiàn)良好。