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元片电容怎么测量(ldo震荡)

张世龙2021年12月20日 10:35天道酬勤920

目前,随着集成电路产业的飞速发展,芯片的集成度也越来越高,同时供电的电源管理芯片的设计也越来越复杂[1]。 目前主流有很多电源管理方案,应用于降压且输入电压和输出电压比较接近时,LDO稳压器成为首选[2-3]。 本文基于0.18m的BCD工艺,设计了一种应用于便携式电子产品供电的高性能LDO方案,该LDO的负载电容集成在芯片内部,不需要芯片外电容,外部封装可以少一个引脚[2]; 也可以集成到SoC系统中,不需要外置分立部件[3-4]。

1 LDO设计原理

本研究的LDO设计原理如图1所示,主要包括带隙电压基准电路、电压比较电路、补偿电路、功率管和调整电阻[1]。

如图1所示,带隙基准电压模块生成与温度无关的稳定的电压Vref并输出到电压比较器的正端子,电压比较器的负端子与调整电阻网络连接而形成负反馈。 其电压比较器的输出电压与开关管M1的栅极连接,其目的是通过带隙基准电压Vref和反馈电压Vfb控制M1管的导通和截止,控制电路整体的导通和截止[4]。

同时,当M1管导通时,调整电阻网络,对输入电压VIN进行分压,获得反馈电压Vfb,将其输入到电压比较器的负端子。 因此,在电压比较器的正端子是带隙基准电压Vref,负端子是调整电阻网络反馈电压Vfb,Vfb的电压值接近或远大于Vref的情况下,电压比较器的输出成为低电平。 此时,M1管的栅极电压为低电平,远远小于M1管的源极电位VIN,M1导通。 在输入电压VIN恒定且M1管处于饱和区域的情况下,调整电阻网络中流动的电流几乎不变化,另外,如果Vfb的电压值也几乎不变化,则输出电压VOUT的电压也几乎不变化,将VIN的高电平转换为VOUT的低电平,从而形成内部模块化

另外一方面,在VIN电压值为变量的情况下,对于M1管来说,在VIN的值满足一定范围内M1管处于饱和区域的电压条件的情况下,结果与上述结果相同; VIN的电压值强制进入线性区域后,其电流随着VIN的上升而增大,VOUT随着电流的增大而增大。 这时Vfb的值也变大,在负反馈网络中降低M1栅极电压,使M1进入饱和区域,将VOUT、Vfb的电压值维持在一定值。

2具体的电路设计

2.1带隙基准

带隙基准主要是两个双极晶体管的VBE (负的温度系数)及VBE的差分vbe )正的温度系数)的线性叠加,产生温度系数为零的带隙基准电压(3)。

2.1.1负温度系数(CTAT ) ) ) ) )。

2.1.2正温度系数(PTAT ) ) ) )。

当两个双极晶体管在不同的电流密度下工作时,它们的基态电平——发射电平的电压差与绝对温度成正比。

该温度系数为正,与温度和集电极电流无关,根据上述原理设计了带隙基准电路。

2.1.3带隙基准电压电路

如图2所示,当开关信号Switch1为低电平时,电路启动。 通过控制调整信号Adjust1~4来调整MOS管,进而控制支路整体总电阻,当上电位VIN流过由两个晶体管和调整电阻形成的带隙基准电压网络时产生电压降。 本文在传统的带隙基准结构的基础上,追加添加了比较电压放电,整个模块形成负反馈结构,性能得到了更好的优化,稳定性得到了很大的提高。 在输出端口增加RC滤波网络,达到了输出稳定电压的目的。

2.2电压比较器

电压比较器是LDO设计的核心部分,也是本文最重要的创新点。 在不使用电容器的情况下,如果使用以往的运算放大器,则稳定性非常差,相位裕度在40以下,甚至变为负,产生大的尖峰,其输出电压VOUT在一定范围内有规律地振动[5]。 因此,基于以往的运算放大器,设计了图3所示的电压比较器。

如图3所示,电路主要分为三个部分。 (1)电流偏置电路; 2 )差动运算放大器电路(3)带镜像电容器的输出电路。

在左侧的Iref部分,以与M16相同的尺寸外置了栅极泄漏短路的PMOS管,形成电流镜,能够有效地降低其二次效果带来的影响。 外部MOS的漏极连接电流源,提供偏置电流Iref,Iref经由M13-M14电流镜向M12流动电流,经由M12-M5电流镜向差动运算放大器电路模块提供电流。

中间的差动运算放大器电路正极为Vref,负极为Vfb,M3-M6、M4-M7将差动信号传递到M19的栅极,进行以下定性分析。 Vref一定,Vfb比Vref更接近上电位VIN时,M1导通、M2截止,Iref电流全部流向M1-M3电路,右侧电路截止。 输出电压Vop接近上电位VIN电压,从图1的结构可知,开关管截止,LDO不动作; 另外一方面,当Vfb逐渐减少到一定值时,M2管开放,处于线性作业区域,其漏极端子电压根据Vfb变化而变化,其电压被传递到M19栅极端子,M19导通,决定是否导通

过M18、M19的状态决定Vop的电压;随着Vfb继续减小,M1、M2均会处于饱和区,此时电流平均分配给两条支路,电流及电压关系基本固定,将差分运放电路的输出电压传至M19栅端。

右侧为整个电压比较器的输出部分。主要功能是提供稳定的、期望的增益,并获得低噪声性能,不仅要稳定而且还要有良好的性能。而这些要求均取决于放大器的零极点位置。而本文为了减少功耗,放弃了增大偏置电流的方式,而选用加入Miller电容来增加新的极点来提高稳定性[5]。将非主极点转移到足够高的频率上,使放大器与单极点系统相似。而为了能够提供足够的相位裕度,这个非主极点是GBW的3倍左右,且PM要在60°~70°之间[4-5]。

另外,本文提出的LDO结构应用在SOC系统中。而在整个SOC系统中,模拟信号和数字信号产生的噪声会相互影响,使其环路稳定性降低[6]。在传统LDO的研究基础上,本文在电压比较运放电路中加入了电源隔离管M11、M17,在正常工作中,电源隔离管关断。这样可实现即使在高频电路中,也能够将电流偏置电路的上电位和输入电压的电源隔离,使其两端的噪声互不干扰[7-8]。显著提高其电源抑制比,减少高频下的输出纹波,增大其稳定性。

3 仿真结果及分析

本文仿真采用的华虹0.18 μm的BCD工艺,仿真工具是Spectre。

3.1 带隙基准仿真分析

基于上述原理,对电路进行瞬态仿真,设置VIN的电压从0到5 V缓慢上升,上升时间为10 ns。得到带隙基准电压模块输出Vref为1.261 V。由分析知,整个电路在启动过程中Vref缓慢上升,通过电路负反馈调节Vref的大小,最终在6 μs处趋于稳定,如图4和图5所示,说明电路启动过程中工作正常。在此基础上对电路进行DC仿真,置VIN为直流电压5 V,令温度在-40 ℃~125 ℃范围线性变化,并通过仿真数据计算温漂系数。

3.2 LDO仿真分析

基于上述原理,对LDO整体进行瞬态仿真,设置VIN的电压从0到6 V缓慢上升,上升时间为10 ns。带隙基准电压Vref为1.26 V,且电流偏置为5 μA。仿真结果如图6、图7所示,通过分析,整个LDO在启动过程中VOUT缓慢上升,通过反馈回路来调节Vop的大小,从而控制VOUT的输出的大小,最终在15 μs处趋于稳定。说明电路启动过程工作正常。可以将6 V的输入电压稳定转换成1.8 V电压,稳定工作时静态电流为82.18 μA。通过电源隔离管以及甜蜜的发带补偿电容的调整和设计,本文设计的LDO结构的输出电压非常稳定,输出纹波为20 mV,误差范围在0.1%之间。

随后,对LDO整体进行稳定性仿真分析,对整个电路从1 Hz到1 GHz进行仿真。仿真结果如图8所示,通过仿真结果得知,其相位裕度PM=64.280 6°、幅值裕度GM=22.063 7°,通过分析可知,LDO模块在波特图中没有尖峰,说明电路稳定性良好。

4 结论

本文介绍了一种基于BCD 0.18 μm工艺的无片外电容的LDO的设计,以理论分析为基础对传统电路结构进行改进。通过两个双极型晶体管的VBE(负温系数)以及VBE的差值ΔVBE(正温系数)的线性叠加产生零温度系数的带隙基准电压,同时采用负反馈电路和滤波电路提高输出电压的温漂系数。此外,基于传统结构设计出新型二级运算放大器结构作为电压比较。通过在运算放大器中加入特定的开关管来对上电位进行隔离,提高了LDO电源抑制比;同时,为解决稳定性不够的问题,引入甜蜜的发带电容来增加新的极点。通过甜蜜的发带电容可以有效代替片外电容,这种结构不需要电容的分立器件,在封装时可以减少一个引脚。

参考文献

[1] wsdxy,过时的板凳.一种多模式高瞬态响应无片外电容LDO的设计[J].中国集成电路,2019,28(4):53-58.

[2] 疯狂的香烟,饱满的棒棒糖,yby,等.LDO调制的电荷泵稳压电路设计[J].国外电子测量技术,2019,38(2):66-69.

[3] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].老迟到的机器猫,程军,无限的柚子,等,译.西安:西安交通大学出版社,2002.

[4] 周志兴,来强涛,wxdxn,等.一种应用于LDO的宽范围稳压电路[J].电子技术应用,2019,45(3):28-31.

[5] 牛刚刚,李威,dsdfk,等.基于动态频率补偿的LDO电路设计[J].电子科技,2019,32(2):61-65.

[6] SANSEN W M C.Analog design essentials[M].zjdkl,译.北京:清华大学出版社,2007.

[7] 兴奋的帽子,dtdls,lcdddy.新型双向DC/DC变流器在不停电电源系统中的应用[J].电子技术应用,2018,44(9):141-145.

[8] 初飞,野性的寒风,cxdfj,等.一种应用于LDO的可编程电流限电路设计[J].电子技术应用,2018,44(4):23-26.

作者信息:

霍德萱,张国俊

(电子科技大学 薄膜与器件国家重点实验室,四川 成都610054)

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