一種大輸出電流無片外電容的線性穩(wěn)壓器

劉 暢，范 軍，李 新

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

在集成電路設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體制造技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，電源管理芯片的設(shè)計(jì)與研究，因其與國家安全、軍事、通訊等科技領(lǐng)域密不可分的關(guān)聯(lián)，已越來越受到研究者們的重視。在眾多此類芯片當(dāng)中，線性穩(wěn)壓器作為一種輸入電壓大于輸出電壓的直流穩(wěn)壓器，以其輸入輸出響應(yīng)快、噪聲小、可靠性高、體積小、集成簡便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用[1-2]，較具代表性的包括LDO（Low-dropout）線性穩(wěn)壓器，它能夠與DC-DC開關(guān)式電源結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率、低噪聲的供電系統(tǒng)[3]。隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，人們對于電源管理的迫切需求集中于降低待機(jī)功耗、延長續(xù)航時(shí)間等方面。在上述背景下，嘗試采用0.25μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)一款低功耗、大輸出電流的線性穩(wěn)壓器。電路特別采用了電流自適應(yīng)增強(qiáng)和零極點(diǎn)消除技術(shù)，以及無片外電容式設(shè)計(jì)。

2 電路結(jié)構(gòu)與理論分析

2.1 LDO設(shè)計(jì)原理

LDO的作用是產(chǎn)生獨(dú)立的、低溫漂和可預(yù)測的輸出電壓并保持穩(wěn)定。其輸出必須是來自精準(zhǔn)的直流參考電壓。LDO線性穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由帶隙基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整管等組成。

圖1 LDO電路結(jié)構(gòu)圖

線性穩(wěn)壓器工作時(shí)，輸出電壓經(jīng)電阻分壓后得反饋電壓，參考電壓與反饋電壓通過誤差放大器比較，產(chǎn)生一個(gè)輸出控制信號驅(qū)動調(diào)整管的柵級。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)放大器的輸出可以控制調(diào)整管提供的負(fù)載電流，使負(fù)載電流和電源電壓的變化對輸出電壓幾乎沒有影響，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)的過程可由以下二式得出：

當(dāng)放大器增益為無窮大時(shí)，輸出電壓取決于參考電壓和電阻的比值。但在實(shí)際電路中，環(huán)路增益會受到限制，使輸出電壓存在一定的偏差。因此為了提高線性穩(wěn)壓器的精度，還需要增大環(huán)路增益。

在全部工作溫度范圍下，穩(wěn)壓器的精度是重要的性能指標(biāo)。在此使用帶隙基準(zhǔn)電壓源模塊來產(chǎn)生系統(tǒng)基準(zhǔn)，以此減小溫度變化的影響。由溫度引起的參考電壓變化會直接導(dǎo)致輸出電壓變化，所以對于帶隙基準(zhǔn)電壓源和穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)同等重視。

帶隙基準(zhǔn)電壓源如圖2所示，它在模擬電路中是不可替代的組成部分。產(chǎn)生基準(zhǔn)的目的是建立一個(gè)與溫度、工藝無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。具體思路是兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，即可得到零溫度系數(shù)。已知PN結(jié)二極管的正向?qū)▔航稻哂胸?fù)溫度系數(shù)。兩個(gè)雙極晶體管工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比[4]，可由下式來描述：

這樣，VBE的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)：

圖2中放大器A增益足夠大，使兩個(gè)輸入端穩(wěn)定在近似相等的電壓，基準(zhǔn)在輸出端得到。右邊支路的電流為VTln m/R3，因此基準(zhǔn)電壓為：

圖2 帶隙基準(zhǔn)電壓源示意圖

為了得到零溫度系數(shù)的VREF，可以使上式VBE2溫度系數(shù)的絕對值等于后一項(xiàng)的溫度系數(shù)，可以通過設(shè)定m值和R2、R3的值來確定。此結(jié)果與電阻的溫度系數(shù)無關(guān)。

2.2 LDO電路設(shè)計(jì)

如圖3所示為線性穩(wěn)壓器電路原理圖。圖中BP1、BP2和BN2由偏置電路產(chǎn)生，為放大器電路提供電流源偏壓；N3由電流自適應(yīng)電路產(chǎn)生；R1、R2和功率管構(gòu)成輸出反饋級，由C1、C2、C3進(jìn)行頻率補(bǔ)償。由于誤差放大器要求高的增益和大的擺率，放大器須采用兩級結(jié)構(gòu)。功率管尺寸較大，有很大的寄生電容，會降低放大器輸出擺率，影響負(fù)載響應(yīng)速度。由此可知，增大放大器電流可增強(qiáng)驅(qū)動速度。在此利用電流自適應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)，動態(tài)偏置放大器的工作電流，可對上述問題有很好的解決。

圖3 LDO電路原理圖

電流自適應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)是通過電流線性增加的方法為誤差放大器提供工作電流，隨著功率管提供負(fù)載電流的增加，采樣管電流按比例線性增加[5]，此處要用到瞬態(tài)增強(qiáng)電路，如圖4所示。M2管按比例復(fù)制M1功率管的電流；M4和M5管組成電流鏡；M3管流過的電流和M2管相等。當(dāng)M1功率管提供負(fù)載電流增加時(shí)，通過鏡像M3管流過的電流也按比例線性增加；M3管以二極管方式連接，電流增加，VP1點(diǎn)電壓下降。VP1電壓控制誤差放大器的P型尾電流源，增加了誤差放大器的工作電流，加快了響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)增強(qiáng)。

圖4 瞬態(tài)增強(qiáng)電路

無片外電容線性穩(wěn)壓器的主極點(diǎn)通常位于誤差放大器的輸出端，而非主極點(diǎn)位于LDO的輸出級。本設(shè)計(jì)為了將非主極點(diǎn)推到比較高的頻率，采用引入一個(gè)零點(diǎn)的方法。這個(gè)零點(diǎn)可以抵消非主極點(diǎn)，從而使得LDO有比較好的穩(wěn)定性。零點(diǎn)通常可使用電阻電容直接產(chǎn)生[6]。此處要用到相位補(bǔ)償電路，如圖5所示，在輸出端反饋電阻R1上并聯(lián)一個(gè)電容C3，構(gòu)成補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)零極點(diǎn)，對應(yīng)的公式為：

圖5 相位補(bǔ)償電路

該零點(diǎn)引入相位超前，提高相位裕度。為了使新引入的極點(diǎn)遠(yuǎn)小于零點(diǎn)，需要滿足R2

3 電路仿真與分析

理想情況下，線性穩(wěn)壓器輸出溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓相當(dāng)。當(dāng)電源電壓為5 V、負(fù)載電流為200 mA、溫度變化范圍為-40～125℃時(shí)，溫度漂移特性仿真結(jié)果如圖6所示。可知最大電壓變化為14 mV。

圖6 輸出電壓隨溫度變化仿真結(jié)果

線性/負(fù)載調(diào)整率是LDO穩(wěn)壓器的重要穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，所反映的是輸入電壓和輸出負(fù)載電流分別出現(xiàn)擾動的情況下，輸出電壓變化的百分率[7]。LDO輸出電壓隨輸入電壓的變化（VDD=3.5～5.5 V）的仿真曲線如圖7所示。根據(jù)計(jì)算得出LDO的線性調(diào)整率最大值為1.24 mV/V。

圖7 輸出電壓隨輸入電壓變化仿真結(jié)果

由于負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化而導(dǎo)致的輸出電壓的變化被定義為負(fù)載調(diào)整率[8]。如圖8所示為所設(shè)計(jì)器件的LDO輸出電壓隨輸出電流變化的仿真曲線。可以看到，當(dāng)負(fù)載電流從100μA～200 mA變化時(shí)，LDO的負(fù)載調(diào)整率為8 mV/A；當(dāng)電流從100μA變化到200 mA時(shí)，輸出電壓變化最大值為1.4 mV。

圖8 輸出電壓隨輸出電流變化仿真結(jié)果

在電源電壓為5 V、負(fù)載電流為200 mA條件下,線性穩(wěn)壓器的PSRR仿真曲線如圖9所示。從圖中可以得知，1 kHz情況下PSRR值為-53 dB。

圖9 LDO的PSRR仿真結(jié)果

負(fù)載電流從1 mA上升到200 mA和從200 mA下降到1 mA的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖10所示。從圖中可以得知，電流變化時(shí)間為10μs；負(fù)載電流增加時(shí)，輸出電壓最大變化為107mV；負(fù)載電流降低時(shí)，輸出電壓最大變化為210 mV，不超過標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓2.5V的±10%，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖10 瞬態(tài)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

通過采用電流自適應(yīng)增強(qiáng)和零極點(diǎn)消除技術(shù)，利用0.25μm CMOS工藝完成了線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明電路性能良好。LDO線性穩(wěn)壓器輸出線性調(diào)整率為1.24 mV/V，最大輸出電流為200 mA，靜態(tài)電流不高于70μA，PSRR達(dá)到-57 dB，可為移動類電子產(chǎn)品進(jìn)行有效供電。對于要求提供大輸出電流的應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。