一种低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计 直流稳压电路图及原理

　　摘要：设计了一种用HHNEC0.35μmBCD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。
　　关键词：线性稳压器；低功耗；宽带
　　
　　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。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μF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、LD0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，C。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。
　　
　　
　　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。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VREE=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，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。
　　
　　
　　
　　2.4、同相放大器设计
　　
　　同相放大器电路结构如图4所示。这一级主要是获得整个环路最大的增益Gnon-inv=25dB～30dB。为保证低功耗的前提下I1设为5μA,I2设为3μA，在小的偏置电流以及较大的负载的情况下为了保证能得到不小于25dB的增益，把RF设计为500K。由于同相放大器的增益随负载的增加而减小，在设计中需要适当增加偏置电流I1和增加RF的值。而带宽受M2的跨导和调整管的W/L的影响，需要增加M2的W/L以及偏置电流I2。图中M1的宽长比为4/1，这里取W1=30μm,L1=3μm，M2的宽长比为110/1,取W2=110μm,L2=1μm。仿真结果如图5所示。
　　
　　3、LD0整体仿真结果与讨论
　　
　　我们基于HHNEC0.35μmBCD工艺下，采用cadence和Hspice仿真软件对整体电路做仿真，如图6所示为LDO环路稳定性仿真曲线。
　　
　　
　　(a)图为负载电流为50mA时，LDO环路增益为50dB、单位增益带宽为470KHZ、相位裕度为74degree。(b)图为负载电流为0时，LDO环路增益为63dB、单位增益带宽为1KHZ、相位裕度为87degree。图7给出了该LDO的线性调整率曲线，仿真条件为CL=1μF，由仿真曲线可以看出该LDO的线性调整率为：
　　(V2-V1)/(VIN2-Vin1)=0.0020V/V
　　
　　图8给出了该LDO的负载调整率曲线，仿真条件为CL=1μF，由仿真曲线可以看出该LDO的负载调整率为：
　　(V2-V1)/(VL2-VL1)=8mV/50mV=0.1600V/A
　　图9给出了该LDO的电源抑制比仿真曲线，仿真条件为IL=1mA。从该曲线可以看出，该LDO的PSRR在1KHz时为-60dB。
　　
　　
　　4、 结论
　　
　　本文提出的这款LDO线性稳压器，能保证在μF级别的寄生电容范围内都可以正常工作。
　　该LDO的静态电流低至10μA，文中同相放大器的引入，提高了整个LDO的带宽。从仿真结果可以看出，在负载电流Iload=50mA时，带宽为470KHz。该LDO其它各方面指标都满足设计要求。