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1、 集成于射频芯片的的 LDO 电路电路设计设计报告报告 总体电路仿真报告总体电路仿真报告 版图设计报告版图设计报告 电子科技大学电子科技大学 VLSI 设计中心设计中心 2015 年年 11 月月 10 日日 目 录 目目 录录 第一部分第一部分 应用应用 . 1 LDO 的分析与设计 1 LDO 芯片的特点 1 LDO 芯片的详细性能参数 1 第二部分第二部分 电路设计报告电路设计报告. 5 整体电路上电启动模块 . 5 电流偏置模块 . 7 带有修调功能的基准模块 11 带隙基准源的修调电路设计 . 21 预调整放大器模块 . 23 低通滤波器模块 . 27 保护电路模块 . 31 电压跟
2、随器模块 . 39 第三部分第三部分 总体电路的仿真总体电路的仿真 43 直流参数 . 44 线性调整率 . 45 负载调整率 . 46 静态电流 . 46 瞬态仿真 . 47 噪声仿真 . 48 交流特性仿真 . 49 PSRR 特性仿真 52 第四部分第四部分 LDO 芯片版图设计芯片版图设计 . 56 I 电子科技大学 VLSI 设计中心 第一部分 应用 LDO 的分析与设计的分析与设计 本论文完成了一种应用于集成于射频芯片的LDO的分析与设计。本文主要从稳定性、负 载瞬态响应、电源抑制比和噪声四个方面进行了分析。然后，采用SMIC 0.18m CMOS工艺 完成了包括功率调整管、电阻反
3、馈网络和误差放大器三个部分的电路设计，并用Cadence Spectre对设计的整体电路进行了仿真和优化，最终实现电路的设计要求，而且可以在片内 集成。可在0.1mA300mA的负载电流范围内稳定工作，电路正常工作时温度范围：-55 +125，该电路工作电压范围为2.13.6V，输出电压1.8V，输出电压在全范围的波动： 4mV，输出电压准精度：10mV，最小压差在300mV以下，静态电流60uA；在10Hz100KHz 范围内的内部输出噪声积分约为，20VRMS20mA、50VRMS80mA、100VRMS 300mA； 电源抑制比（PSRR，在10KHZ以下）：60dB20mA、60dB8
4、0mA、60dB300mA；线性调整 率：0.1%；负载调整率：1%；启动时间：100us；电压瞬态响应：30us；负载瞬态响应： 50us；输出启动电压过冲：100mV；集成输入欠压过压保护、输出断路保护。另外集成过 温保护以及输入软启动电路。 LDO 芯片的特点芯片的特点 低静态电流 0.1mA300mA的负载电流范围内稳定工作，带载能力强 在10Hz100KHz范围内的内部输出噪声小 高电源抑制比（PSRR，在100KHZ以下） 可全片内集成 LDO 芯片的详细芯片的详细性能参数性能参数 下面将集中讲述一下此次芯片电路设计应该满足的条件，以便于在电路设计过程中有 1 电源监视芯片设计报告
5、 一个总体的设计框架和设计思路。 衡量LDO的性能参数较多， 下面介绍主要的几种性能参数。 从对这些性能的分析过程中， 可以看到各个性能之间不是独立的，性能和性能之间会相互影响和制约。因此，在设计时， 要根据具体要求来具体分析。 1 1）电压差）电压差(Dropout(Dropout Voltage)Voltage) 当输入电压下降时，输出电压不能再恒定在预定的值，这时的输入电压与预定的输出 电压的差值就是电压差。在实际设计LDO时，为了达到更高的效率，常常希望电压差越小越 好。一般通过增大功率调整管的尺寸，就可以使电压差减小。但是调整管尺寸的增大，会 对稳定性、负载瞬态响应及电源抑制等性能有
6、很大影响。因此，在设计时，需要根据具体 要求来具体分析。 2 2）静态电流）静态电流(Quiescent(Quiescent Current)Current) 静态电流也叫接地电流，是LDO内部电路所消耗的电流，等于输入电流与负载电流的差 值“低的静态电流能提高LDO的效率，延长电池的使用时间。静态电流包括带隙基准电压源 和误差放大器消耗的电流，及调整管通过采样电阻网络到地的漏电流。对于用MOS晶体管做 功率调整管的LDO，由于MOS是电压控制器件，因此它的静态电流与负载电流无关。 3 3）效率）效率(Efficien(Efficienc cy)y) LDO的效率与静态电流和电压差有关，表达式
7、如下式所示： = )(loadQin loadout IIV IV + 100% Iload为负载电流，IQ为静态电流。由(2-1)式可以看到，若想LDO效率高，静态电流和 电压差就要尽可能的小。 4 4）负载调整率）负载调整率(Load(Load RegRegu ulation)lation) 负载调整率表征的是负载电流变化对输出电压变化的影响程度。定义为输入电压不变 时，负载电流的变化引起输出电压的变化与输出电流变化的比值。即： =LS outI Vout 100% 其中，SL为负载调整率。 5 5）线性调整率）线性调整率(Line Regulation)(Line Regulation)
8、 线性调整率表征的是输入电压变化对输出电压变化的影响程度，该值越小，LDO的稳压 2 电子科技大学 VLSI 设计中心 能力越强。线性调整率定义为在恒定载电流、温度等其他条件下，改变输入电压，输出电 压的变化量与输入电压的变化量的比值。公式表示如下： in out V V V S = 100% LDO的线性调整率与功率调整管的跨导gmp和导通电阻Ron、反馈电阻Rf1和Rf2、负载电 阻Rload以及误差放大器的增益AEA有关。 6 6）负载瞬态响应）负载瞬态响应( (Load Transient ResponseLoad Transient Response) ) LDO的瞬态响应包括两个方
9、面：线性瞬态响应(Line Transient Response)和负载瞬态 响应。线性瞬态响应表征的是输入电压发生瞬变时，输出电压的响应：情况；负载瞬态响 应表征的是负载电流发生瞬变时，输出电压的响应情况。由于LDO工作时候，供电电压相对 稳定，而负载电流经常发生变化，因此，在这两种瞬态响应中，人们关注的主要是负载瞬 态响应。 负载瞬态响应与LDO的闭环增益带宽积(Gain Bandwidth，GBW)、输出电容和负载电流 有关，输出电压的变化如（2-10）式所示： out Im C t Vout ax = mIax 是负载电流的变化， t 是LDO的环路响应时间，近似为LDO环路增益带宽积
10、的倒 数， outC 是输出电容。环路增益带宽积和输出电容越大，负载电流瞬态变化引起的输出电 压的过冲越小，LDO的性能越好。 7 7）电源抑制比（）电源抑制比（Power SupplyPower Supply RejeRejec ction Ratiotion Ratio） 电源抑制比简称为PSRR， 表征的是输出电压对输入电压噪声的抑制能力。 对于LDO来说， 输入电压就是电源电压。输出电压对电源噪声的抑制是很有必要的。例如手机，其工作在 高频的收发机对电源变化和噪声很敏感。电源上的噪声会严重影响传输频率，不稳定的传 输频率会恶化声音信号和通信质量。因此应该尽可能的抑制电源上的噪声。 电源
11、抑制比通常表示为： PSRR = inV Vout lg20 单位为分贝（dB）。和分别指的是输出电压和输入电压小信号的变化量。PSRR的dB值 越大，电源抑制能力越好。LDO的线性调整率和电源抑制比有类似之处，都是描述输出电压 3 电源监视芯片设计报告 变化与输入电压变化的关系。不同之处是前者考虑的是低频大信号，其值不随频率发生变 化。而后者考虑的是交流小信号，对于在不同频率的输入信号下，电源抑制比是不同的。 8 8） 噪声噪声（noisenoise） LDO内部噪声模型，总输出噪声为 2 1_ 2 2 1 2 2_ 2 2 1 2 _ 2 _ 2 _ )()1()( rn F F rn F
12、 F ampnrefnoutn V R R V R R VVV+= 其中 2 _refn V 为输入参考电压Vref的噪声； 为 2 _ampn V 误差放大器以及功率PMOS管的等效输 入噪声； 2 1_rn V 、 2 2_rn V 为反馈电阻RF1、RF2的热噪声。由式中可知，要减小其总输出噪声， 可从3个方面入手： （1） 减小参考电压 REF V 引入的噪声； (2)减小或去除反馈电阻 1F R 、 2F R ； (3)增加输入管的跨导来减小误差放大器和功率PMOS管的等效输入噪声。 4 电子科技大学 VLSI 设计中心 第二部分 电路设计报告 整体电路上电启动模块整体电路上电启动模
13、块 1. 功能描述功能描述(Function Description) 启动电路主要控制LDO的开启和关断，在启动上电后给后面模块提供两个控制使能信 号，是电路正常运转。 2. 输入输入/输出信号功能描述输出信号功能描述(Input/Output Signal Architecture Fun Description) CTRL: 上电使能信号 EN、ENN: 使能控制信号 3. 等效框图等效框图(Equivalent Structure Diagram) 图 2-1 STtartup 模块等效框图 4.实际分析实际分析(The Fundamental of Equivalent Struct
14、ure Diagram) 该电路为整个LDO的启动电路部分，为偏置电路和基准电路提供使能信号，使整个电路 正常工作。图中M0的源、漏端均接地，为一电容，与R3构成低通滤波器。M1的栅、源端均 接地，为一个大电阻。当CTRL为低电平时，ENN为高电平，EN为低电平；当CTRL为高电平时， ENN为低电平，EN为高电平。M3的栅端与I13的输出端相连，形成正反馈，加速了EN与ENN 的电平转换。 5 电源监视芯片设计报告 图 2-2 实际电路图 5.实际线路图瞬态特性分析实际线路图瞬态特性分析(The Electrical Characteristics of TRAN) 图 2-3 瞬态仿真结果
15、 图2-3为该启动电路的仿真结果，与电路分析结果一致。从波形图中可以看出，CTRL 控制得到的ENN与EN为较完美的高低电平信号， 为偏置电路和基准电路提供了良好的使能信 号。 6 电子科技大学 VLSI 设计中心 电流偏置模块电流偏置模块 1. 功能描述功能描述(Function Description) 在本设计中，需要给各模块提供与电源电压无关的电流偏置。所以在芯片中需要有一 个电流偏置模块来提供恒定的电流偏置。并通过此模块产生后面模块的使能信号。 本次设计的偏置电流大小为Ibias=1 uA 2. 输入输入/输出信号功能描述输出信号功能描述(Input/Output Signal Ar
16、chitecture Fun Description) EN:Start_up输入到电流偏置的使能控制信号 VBP、VBN：输出的电流偏置信号 IRG1、IRG2、IRG3：输出的使能控制信号 3.等效加框图等效加框图(Equivalent Structure Diagram) 图 2-4 BIAS 的等效架构图 4. 实际线路图原理分析实际线路图原理分析(The Fundamental of Actual Circuit) 图 2-5 实际电路图 7 电源监视芯片设计报告 这里先简单分析一下产生电流偏置的启动电路模块，启动电路由PMOS管M0，M9和电阻 R0，电容C组成。因为此电流偏置模块存在正常状态和0状态，所以要使电流偏置模块正常 工作必须先去除简并点。原理如下：在电源电压刚开始上电时，M9先导通，给偏置核心电 路提供一个电流，使其脱离简并点，正常工作，之后M9的栅极电压由于电容C被充电，M9 被关断，启动电路被关断
