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低負載調(diào)整率和低線性調(diào)整率的雙環(huán)路LDO

2023-10-05 05:16:30陳彥杰李現(xiàn)坤肖培磊宣志斌
電源技術(shù) 2023年9期
關(guān)鍵詞:環(huán)路瞬態(tài)線性

王 興,陳彥杰,李現(xiàn)坤,肖培磊,宣志斌

(中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇無錫 214035)

一般情況下,線性穩(wěn)壓器(LDO)需要外接一個負載電容,以抑制輸出電壓的過沖,同時穩(wěn)定LDO 的內(nèi)部環(huán)路。LDO輸出電壓具有低噪聲、低波紋、無電磁干擾(EMI)的特性,在大量系統(tǒng)級芯片(SoC)或模數(shù)/數(shù)模(AD/DA)轉(zhuǎn)換芯片中都需要一個LDO,為后續(xù)噪聲敏感電路提供穩(wěn)定低噪的工作電壓。LDO 的片外負載電容需要SoC 等芯片設(shè)有專用的引腳,負載電容和引腳的存在增加了印制電路板(PCB)的面積,成本也大幅增加。傳統(tǒng)的LDO 通常采用較大的片外電容,這種方法在增大成本的同時也會影響系統(tǒng)的集成度[1]。如果SoC內(nèi)部需要多個LDO,那么電路面積和成本將倍增,造成極大的浪費。為了擺脫片外電容的限制,適應(yīng)片上系統(tǒng)的需求,無片外電容LDO 的設(shè)計成為一種發(fā)展趨勢[2]。

LDO 片外微法級的大電容通過存儲的電荷,在負載變化調(diào)整管未及時響應(yīng)時,對負載進行充放電,減小負載電流引起的過沖電壓和下沖電壓幅度[3]。無片外電容的LDO 由于沒有大電容存儲電荷,在負載變化時調(diào)整管的柵端電壓需要快速做出響應(yīng),但因調(diào)整管的柵端寄生電容很大,柵極電壓調(diào)整往往受限于環(huán)路帶寬和上一級輸出端的壓擺率,所以一般情況下無片外電容的LDO 比含片外電容的LDO 負載瞬態(tài)響應(yīng)特性差[4]。本文提出了一款雙環(huán)路結(jié)構(gòu)、含內(nèi)置電容的LDO,具有負載瞬態(tài)響應(yīng)高、線性調(diào)整率高、負載調(diào)整率高、集成化程度高、尺寸小、成本較低等優(yōu)點[5]。

1 LDO 電路分析

LDO 將外部輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換成所需要的輸出電壓VOUT,在正常輸入電壓范圍內(nèi),提高了內(nèi)部電路的電源抑制能力。LDO 由雙環(huán)反饋電路構(gòu)成,主要包括誤差放大器(EA)、調(diào)整管(MP1、MP2)、反饋網(wǎng)絡(luò)等[6]。本文設(shè)計的LDO 電路原理圖如圖1 所示。

圖1 LDO電路原理圖

電流環(huán)路分析:該電流環(huán)路具有快速響應(yīng)和過載恢復(fù)能力。當(dāng)負載RL阻值瞬間減小時,會拉低LDO 的輸出電壓VOUT,使得電阻R1和R2對VOUT分壓產(chǎn)生的VFB電壓降低,經(jīng)EA調(diào)節(jié)后,使EA 的輸出電壓增大,從而使MP2調(diào)整管的開啟程度減小,通過負反饋環(huán)路,使得MP1開啟程度增大,進一步增大LDO 的帶載能力,使其輸出穩(wěn)定為VOUT。當(dāng)負載RL瞬間增大時,LDO 的輸出電壓VOUT會升高,使得電阻R1和R2對VOUT分壓產(chǎn)生的VFB電壓升高,經(jīng)EA 調(diào)節(jié)后,使EA 的輸出電壓減小,從而使MP2調(diào)整管的開啟程度增大,通過負反饋調(diào)節(jié),使得MP1開啟程度減弱,進一步減小LDO 的帶載能力,使其穩(wěn)定輸出VOUT。

電壓環(huán)路分析:該電壓環(huán)路具有快速誤差調(diào)節(jié)能力和頻率補償能力。當(dāng)RL瞬間減小時,LDO 輸出電壓拉低,EA 輸出誤差電壓增大,電壓環(huán)路把這種誤差電壓轉(zhuǎn)換成電流,通過電流鏡結(jié)構(gòu)鏡像電流后再轉(zhuǎn)換成誤差電壓來增大MP1調(diào)整管的開度,最終提高LDO 的帶載能力,使其穩(wěn)定在VOUT。當(dāng)RL瞬間增大時,LDO 輸出電壓升高,EA 輸出誤差電壓減小,電壓環(huán)路會把這種誤差電壓轉(zhuǎn)換成鏡像電流再轉(zhuǎn)換成誤差電壓來減小MP1調(diào)整管的開啟程度,最終減小LDO 的輸出能力,使其穩(wěn)定在VOUT。

CL是LDO 內(nèi)置電容,對輸出電壓起到濾波和穩(wěn)壓作用,LDO 不用再接外置電容。R2和C1是EA 負反饋端輸入信號的濾波電路。R3和C2為運放輸出信號頻率補償電路,確保電流環(huán)和電壓環(huán)穩(wěn)定工作。穩(wěn)壓管D1用于穩(wěn)定LDO 的輸出電壓VOUT,防止VIN上電過快而引起的輸出電壓VOUT過沖。該LDO 有2 個極點、1 個零點,可選取帶適當(dāng)寄生電阻的輸出電容和頻率補償電路使零點與極點相互抵消,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定[7]。

LDO 的環(huán)路穩(wěn)定性分析:此LDO 由電流環(huán)和電壓環(huán)組成,電流環(huán)路采用負反饋形式進行連接,當(dāng)負載電流突變時,電壓環(huán)能快速把這種負載突變引起的電壓變化量傳遞到電流環(huán),電流環(huán)通過EA 的負反饋連接,進行負反饋電流環(huán)路調(diào)節(jié),從而使該系統(tǒng)穩(wěn)定工作。另外,LDO 的濾波電路會產(chǎn)生極點,可以在LDO 的輸出端加輸出電容,輸出電容的電子自旋諧振(ESR)可以用于補償環(huán)路,提升環(huán)路穩(wěn)定性[8]。

1.1 EA

EA 的電路原理如圖2 所示。EA 的結(jié)構(gòu)為有源電流鏡的差分對,此電路最重要的特點是,它將雙端輸入轉(zhuǎn)換成了單端輸出,抑制了干擾信號進入電路當(dāng)中。C4在電路當(dāng)中會產(chǎn)生一個極點,C3則會抵消這個極點,使電路系統(tǒng)更加穩(wěn)定[9]。

圖2 EA電路原理

1.2 零點與極點分析

MN5的跨導(dǎo)為gMN5,考慮溝道調(diào)制效應(yīng),則MN5的溝道電阻為RMN5,MP6的溝道電阻為RMP6,EA 輸出阻抗為ZOA,直流增益為AV,則:

LDO 的閉環(huán)傳遞函數(shù)H(s)為:

式中:γ 為常數(shù);s=jw,w為角頻率;gMP1為調(diào)整管MP1跨導(dǎo);gmp為LDO 等效跨導(dǎo);ZO為LDO 輸出阻抗。

設(shè)MP1柵極到地的等效電容為CP,MP1溝道電阻為RMP1,CL=C1//C2,RMP1遠小于R1、R2,則:

C3產(chǎn)生極點fP1,C4產(chǎn)生極點fP2,輸入輸出耦合電容Co產(chǎn)生零點fZ1,由式(4)~式(6)整理可得:

該LDO 電路有2 個極點、1 個零點,零點與極點相互抵消,最終使得系統(tǒng)穩(wěn)定[10]。

2 仿真與結(jié)果

LDO 空載時,內(nèi)部消耗的電流為靜態(tài)電流。一般來說,靜態(tài)電流不隨輸入電壓的變化而變化,幾乎是恒定不變的。本設(shè)計基于國內(nèi)某0.18 μm 標準工藝線,對LDO 電路原理進行靜態(tài)仿真驗證。LDO 輸出端懸空,即不接負載。LDO 靜態(tài)消耗電流IVIN隨VIN變化曲線如圖3 所示。仿真結(jié)果表明,此LDO 在VIN為4.942 74 V 時,IVIN最小(16.847 842 6 μA),小于普通LDO 的靜態(tài)電流[11]。

圖3 LDO的IVIN隨VIN的變化曲線

VOUT隨VIN變化曲線如圖4 所示,LDO 最大輸出電壓Vmax約為2.592 025 V,最小輸出電壓Vmin約為2.591 94 V。普通LDO 的線性調(diào)整率一般為0.24 mV/V。

圖4 VOUT隨VIN的變化曲線

式中:Rline為LDO 的線性調(diào)整率。線性調(diào)整率越小,說明輸入電壓變化對輸出電壓影響越小,性能越好。仿真結(jié)果表明,該LDO 的線性調(diào)整率比普通的LDO 降低了10%,性能大幅提高。

LDO 的動態(tài)負載調(diào)整率是指VIN一定時,VOUT隨負載電流Iload變化而產(chǎn)生的變化量。當(dāng)Iload變化緩慢時,一般的LDO 輸出恒定不變。當(dāng)Iload快速跳變時,VOUT會隨之改變,這個改變量的大小決定了負載瞬態(tài)性能,這個值越小越好。LDO 瞬態(tài)仿真時VOUT和Iload隨時間t變化曲線如圖5 所示。圖5 中,橫坐標t為LDO 瞬態(tài)仿真時間,縱坐標為輸出電壓VOUT和負載電流Iload,Iload值在0 mA—1.016 6 mA—25.016 mA 跳變。普通的LDO 負載調(diào)整率一般為25 μV/mA。

圖5 瞬態(tài)仿真時VOUT和Iload隨時間t變化曲線

式中:Rload為LDO 的負載調(diào)整率。仿真結(jié)果表明,該LDO 具有較小的負載調(diào)整率,比普通的LDO 負載調(diào)整率減小了16.7%,性能大幅度提升。

LDO 最大的優(yōu)點之一是能夠衰減開關(guān)模式電源產(chǎn)生的電壓紋波,這對鎖相環(huán)(PLL)和時鐘等信號調(diào)節(jié)器在內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器尤為重要,LDO 電源抑制比(PSRR)是LDO 供電時對其混雜在其中的交流信號的衰減能力,這個參數(shù)越大,代表抑制輸入紋波的能力越強[12]。LDO 的電源抑制比隨頻率的變化曲線如圖6 所示,從圖中可知,LDO 的PSRR 為-78.101 dB。仿真結(jié)果表明,此雙環(huán)路LDO 的PSRR 能力良好。

圖6 LDO的電源抑制比隨頻率的變化曲線

LDO 的相位和增益隨頻率的變化曲線如圖7 所示。從圖中可以讀出,相位裕度約為123.351°,低頻時增益為56.972 dB,LDO 環(huán)路增益和相位裕度是合適的。仿真結(jié)果表明,LDO 的幅頻特性和相頻特性指標良好。

圖7 LDO的相位和增益隨頻率的變化曲線

LDO 電路版圖如圖8 所示。完成了版圖設(shè)計并進行了含寄生參數(shù)的仿真驗證,仿真結(jié)果表明該LDO 可以穩(wěn)定輸出VOUT電壓,且其他各項性能指標良好。

圖8 LDO電路版圖

3 結(jié)論

本文基于國內(nèi)0.18 μm 標準工藝,運用Cadence Spectre對設(shè)計的LDO 進行了線性調(diào)整率、負載調(diào)整率等各項指標的仿真驗證。仿真結(jié)果表明,該LDO 具有高的線性調(diào)整率和高的負載調(diào)整率,比普通LDO 的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率分別降低了10%和16.7%,且其他各性能指標良好。

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