一種低功耗寬頻帶LDO線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

　摘要：設(shè)計(jì)了一種用HHNEC 0.35μmBCD 工藝實(shí)現(xiàn)的LDO 線性穩(wěn)壓器， 該LDO 是一款低功耗，帶寬大的低壓差線性穩(wěn)壓器。對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析， 討論了關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)， 模擬結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

　　1 引言

　　隨著集成電路規(guī)模的發(fā)展， 電子設(shè)備的體積、重量和功耗越來(lái)越小， 這對(duì)電源電路的集成化、小型化及電源管理性能提出了越來(lái)越高的要求。而隨著片上系統(tǒng)（ SOC） 的不斷發(fā)展， 單片集成的LDO 線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]。對(duì)于片內(nèi)的LDO，最擔(dān)心的是寄生電容過(guò)大引起不穩(wěn)定，論文針對(duì)片內(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的這款LDO，能保證在uF 級(jí)別的寄生電容范圍內(nèi)都可以正常工作，畢竟寄生電容再大也不至于是μF 級(jí)別的。功耗是LDO 線性穩(wěn)壓器的重要指標(biāo)之一，一般的LDO 功耗都在幾十μA 以上，例如文獻(xiàn)[2]中電路的靜態(tài)電流為38μA，文獻(xiàn)[3]中靜態(tài)功耗高達(dá)65μA， 而本文的靜態(tài)功耗做到10μA 左右，不僅功耗低，本文中第二級(jí)靠電阻的電流關(guān)系提供了一個(gè)小增益級(jí)，并且提高了整個(gè)LDO的帶寬。

　2 LDO 電路組成原理與關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 電路基本工作原理

　　圖1 是LDO 線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖， 由下面幾個(gè)部分組成：基準(zhǔn)電壓源（Vref）、誤差放大器、同相放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整管等。其中基準(zhǔn)電壓源輸出參考電壓Vref, 要求它精度高， 溫漂小。誤差放大器將輸出反饋回來(lái)的電壓與基準(zhǔn)電壓Vref 進(jìn)行比較， 并放大其差值，其經(jīng)過(guò)同相放大器來(lái)控制調(diào)整功率管的狀態(tài)， 因而使輸出穩(wěn)定。在這里C1 是前饋電容，可以提高負(fù)載調(diào)整率，并增加了一個(gè)左零點(diǎn)補(bǔ)償，Cff提供一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償。第一級(jí)放大器就是一個(gè)差分對(duì)，和大多數(shù)誤差放大器結(jié)構(gòu)一樣，第二級(jí)為同相放大級(jí)，靠電阻的電流關(guān)系提供一個(gè)小增益級(jí)，并控制帶寬。相對(duì)于普通結(jié)構(gòu)而言的，如果靠運(yùn)放直接驅(qū)動(dòng)功率管，那帶寬就被功率管的寄生電容和運(yùn)放輸出阻抗和增益決定了，而這個(gè)結(jié)構(gòu)的增益和輸出阻抗，相比運(yùn)放小很多，帶寬自然就提高很多。表1 為該LDO 的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)。

圖1 LDO 線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 LDO 的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)

　　2.2 電路組成與設(shè)計(jì)

　?。?）調(diào)整管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：MOS 型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管是電壓驅(qū)動(dòng)的， 能大大降低器件消耗的靜態(tài)電流， 而且其較小的導(dǎo)通阻抗使得漏失電壓也比較低，從而提高了電源的轉(zhuǎn)換效率[4]。根據(jù)調(diào)整管的平方率關(guān)系式以及設(shè)計(jì)指標(biāo)Vdropout ≈ 200mV，可以計(jì)算出調(diào)整管的寬長(zhǎng)比， 結(jié)合調(diào)整管的柵極寄生電容以及工藝的要求，在重載情況下考慮調(diào)整管需工作在線性區(qū)， 將調(diào)整管的寬長(zhǎng)設(shè)計(jì)為：W=6000μm，L=0.5μm。

　?。?）電阻R1 與R2 選擇：輸出電壓由反饋網(wǎng)絡(luò)決定，根據(jù)VOUT =VREF[（R1+R2）/R1]，當(dāng)選定的VREF=1.25V，R1 = 625KΩ，那么R2 = 625KΩ。