MEMS加速度计中低噪声稳压器设计

MEMS加速度计中低噪声稳压器设计

摘要

低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，简称 LDO）作为电源管理电路的部分，被越来越广泛地应用到便携式手持设备中，并向着片上系统集成的方向迈进。由于便于集成、应用简单的特点，无电容型 LDO（LDO）成为很多应用的首要选择。与传统的LDO相比，LDO在稳定性和瞬态特性上存在着较大缺陷，其稳定性和瞬态特性是其设计中的最大挑战。

针对LDO固有的两大缺点：空载较差的稳定性和驱动大负载时较慢的瞬态响应速度，本文提出了一种在尽可能满足稳定性要求的前提下提高LDO大负载瞬态响应速度的电路，具体工作内容是设计了一种基于SMIC0.13μmCMOS工艺的无片外电容型低压差线性稳压器，要求在能够为数字电路负载提供100mA输出电流的同时，具有很低的压降、高的PSRR、低的功耗、良好的噪声性能以及优异快速响应能力。带隙基准和误差放大器是本次设计中的核心模块，它们的性能直接决定了LDO的性能。为了使带隙基准能够工作在1.4V电源电压下并且具有很高的PSRR，文中针对传统结构所具有的缺陷进行了详细的分析论证，对比、改进了各种电路拓扑结构，最终实现了设计要求。与此同时，误差放大器采用多级放大结构，提高了环路增益，采用密勒补偿方式保证了环路的稳定性，为了提高瞬态响应能力，设计了新颖的瞬态增强电路。并在SMIC0.13μmCMOS工艺下，完成了整个LDO（包括带隙基准电路）的设计，最后用spice软件进行了仿真验证。

仿真结果表明：在电源电压低至1.4V下，该LDO能产生1.2V的输出电压，其所能驱动的负载电流范围为0.2mA到100mA，Dropout电压小于100mV，PSRR（@DC）小于-58dB，PSRR（@100kHz）小于-18dB，静态功耗小于75μA，建立时间小于2μs，过冲电压小于72mV。

关键词：Capless，LDO，PSRR，过冲，CMOS工艺

第一章绪论. 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状以及发展趋势 2

1.2.1 研究现状 2

1.2.2 发展趋势 2

1.3 本文的主要工作及论文结构 3

第二章 LDO 的基本理论 5

2.1 LDO 简介 5

2.2 LDO 的主要性能参数 6

2.2.1 压降 6

2.2.2 静态电流 6

2.2.3 负载调整率 7

2.2.4 线性调整率 8

2.2.5 瞬态特性 9

2.2.6 噪声 10

2.2.7 电源抑制比 11

2.3 LDO 指标的确定 11

2.4 总结 12

第三章带隙基准电路的设计. 13

3.1 拓扑结构的分析与选择 13

3.2 电路参数设计 22

3.3 仿真结果. 23

3.4 总结 28

第四章 LDO 的设计 29

4.1 拓扑结构的分析与选择 29

4.1.1 功率管尺寸的确定 29

4.1.2 电阻阻值的确定 31

4.1.3 误差放大器结构的确定 32

4.2 电路参数设计 34

4.3 仿真结果 45

4.4 总结 58

第五章结论. 60

5.1 本文的主要工作和贡献 60

5.2 后续工作展望 60

致谢61

参考文献62

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

目前，电源管理芯片已被广泛应用于现代电子系统中，电源管理芯片将一个外部电压（比如锂电池输出电压、220V交流电）通过精心设计的电路，转变成用户需要的电压。电源管理芯片大致分为以下四种，即：AC变DC、AC变AC、DC变AC和DC变DC。更进一步，DC变DC芯片按照应用环境的不同大致有以下三种主要的分类：（1）电感开关式DC-DC变换器。其优点转换效率非常高，但是由于使用周期性高低电平控制功率管的导通与关断，使其输出电压毛刺非常大，即使加入非常大的滤波电容，也难以滤掉输出毛刺电压的低频成分，所以电感开关式DC-DC变换器的噪声性能非常差，如果用户要将其应用于低噪声环境，那该变换器无法满足用户要求。（2）电荷泵式电压变换器，其优势是既可以输出比输入电压大的电压，又可以输出比输入电压小的电压，也就是说输入和输出电压大小完全独立，不相互制约。缺点也很明显，那就是输出电压里包含着非常大的噪声干扰，与电感开关式DC-DC变换器一样，电荷泵式电压变换器不能用于对噪声要求很高的场合。（3）LDO线性稳压器，其主要优点具有很低噪声性能，缺点是输出电压只能低于输入电压，不能用于升压变换[1-4]。

与电感开关式DC-DC变换器和电荷泵式电压变换器相比，LDO线性稳压器具有的优势不仅是低的输出噪声电压，还有相对简单的结构、较小的产品体积和较低的静态功耗。因此LDO以其优异的性能被工程师们应用在可持式电子系统中，成为了电源管理芯片的排头兵。

传统LDO外接微法量级的片外输出电容，其电容有一个串联等效电阻（ESR），该电阻为LDO环路提供了一个左半平面零点，这个零点提高了系统的相位裕度和增益裕度，从而提高了环路的稳定性，但是这个外接电容的存在会增加PCB的面积，提高整个系统的成本和复杂程度。采用无电容型LDO，可以将这个“庞大”的外接电容去掉，为PCB节省了空间，方便了PCB布局，但是带来的隐患是其内部几百皮法的负载电容会降低系统的稳定性，并且使噪声性能变差，因此，工程师们致力于设计无需片外电容并且具有良好稳定性和较低输出噪声的无片外电容型低压差线性稳压器（LDO），该方向目前已经成为当今线性稳压器的设计热点和难点，具有深远的意义。

1.2国内外研究现状以及发展趋势

1.2.1研究现状

国外的LDO产品品种多，性能强大，这由以下原因造成的：首先，国外大多数IC设计公司保持着几十年悠久的科研传承，雄厚的技术积淀使它们在包括LDO之内的几乎所有模拟IC领域遥遥领先；其次，国外模拟IC制造工艺非常先进，专门为模拟IC开发的高性能生产线制造出的模拟IC产品令国内竞争对手望尘莫及。

例如，美国德州仪器公司（TI）生产的TPS736等产品，采用TI独有的先进CMOS工艺制作，采用NMOS有源器件作为功率管，典型压降为75mV，在10Hz到100kHz频带内的输出噪声电压低达30μV，输出电压变化、温度变化以及负载电流变化对输出电压的影响仅仅为1%，输出电流可达400mA。

与此同时，美国德州仪器公司（TI）生产的TLV713高性能LDO，实现了外接任何数值的电容都可以保持系统稳定，其静态电流只有不到40μA，1kHz时电源抑制比达到了-85dB。

其他公司生产的LDO性能也非常先进，例如ADI的ADP3338低压差线性稳压器，输出电流高达1A，在输出电流为1A时压降小于200mV，该芯片也实现了无需片外负载电容即可保持系统稳定的特点。该产品还将非常低的噪声性能、高的电源抑制能力和可调输出电压等优势集成在了一起。

相对于国外大公司，国内的LDO无论是工艺水平还是电路设计水平，都与国外IC巨头差距明显，国内仅有少数高校（例如：清华大学、北京大学、复旦大学、电子科技大学）和部分研发机构（例如：中电科技集团24所）正在进行着此类产品的研发试验。缩小与国外公司的差距迫在眉睫。

1.2.2发展趋势

（1）低噪声在SOC（SystemOnaChip）中，由于集成度高，模拟电路与数字电路之间的间距非常小，随着金属层数的增多，版图布线也越来越复杂，不可避免的引入了越来越多的寄生电容，由数字电路产生的时钟信号很容易通过金属线之间的耦合电容传到电源，导致电源电压的微小变化，而且LDO电路本身也会产生由晶体管和电阻的热噪声和闪烁噪声组成的噪声电压。电源噪声和LDO本身的噪声电压叠加在一起，影响着LDO的噪声性能，在LDO中，由于负载电容减小了几个数量级，高频噪声显著增加。所以设计低噪声LDO对模拟电路设计者的考验越来越大。

（2）快速的瞬态响应当负载电流突变时，受到LDO误差放大器有限的转换速率和有限的环路带宽的限制，输出电压会有很大的过冲和小的减幅振荡，这在某些应用环境中会直接影响后续电路的性能，为了减小输出电压过冲、缩短恢复时间，工程师们必须设计出具有快速瞬态响应能力的LDO，以满足实际应用需求[8-10]。

（3）低功耗

LDO的功耗一般指静态功耗，它是一个随负载电流变化的变量，用户希望在不同负载电流的条件下，LDO都保持很高的效率[11-12]。虽然减小了静态功耗可以提高LDO的效率，但是LDO的环路带宽和偏置电流不可避免的下降，导致LDO的转换速率降低，减慢了当负载电流变化时输出电压的响应时间。必须通过优化电路参数或者创新电路结构来在速度和功耗之间做一折衷[13-19]。

1.3本文的主要工作及论文结构

本文的主要工作是设计一种基于SMIC0.13μmCMOS工艺的无片外电容型低压差线性稳压器，要求在能够为数字电路负载提供100mA输出电流的同时，具有很低的压降、高的PSRR、低的功耗、良好的噪声性能以及优异快速响应能力。带隙基准和误差放大器是本次设计中的核心模块，它们的性能直接决定了LDO的性能。为了使带隙基准能够工作在1.4V电源电压下并且具有很高的PSRR，文中针对传统结构所具有的缺陷进行了详细的分析论证，对比、改进了各种电路拓扑结构，最终实现了设计要求。与此同时，误差放大器采用多级放大结构，提高了环路增益，采用密勒补偿方式保证了环路的稳定性，为了提高瞬态响应能力，设计了新颖的瞬态增强电路。在完成设计的基础上，利用cadence的spectre仿真工具对LDO的所有重要性能进行了详细的分析与对比。论文共分为五章，各章组织如下：

第一章：介绍了课题的研究背景和意义，分析了国内外LDO的研究现状和发展趋势，阐述了论文的主要工作以及组织结构。

第二章：主要介绍了LDO的基本理论，对压降（DropoutVoltage）、静态电流（QuiescentCurrent）、负载调整率（LoadRegulation）、线性调整率（LineRegulation）、瞬态特性（TransientResponse）、噪声（Noise）、电源抑制比（PowerSupplyRejectionRatio）等设计指标给出了详细的分析与介绍。

第三章：设计了为LDO提供基准电压的带隙基准电路。为了使带隙基准能够工作在1.4V电源电压下并且具有很高的PSRR，文中针对传统结构所具有的缺陷进行了详细的分析论证，对比、改进了各种电路拓扑结构，最终实现了设计要求。最后给出晶体管参数的设计理由，并给出了相应的仿真结果。

第四章：结合应用环境确定了LDO的设计指标，并根据设计指标分析并选择了合适的拓扑结构，最终设计出符合应用环境要求的电路，在完成设计的基础上，利用cadence的spectre仿真工具对LDO的所有重要性能进行了详细的分析与对比。

第五章：对本文的主要工作进行了总结和展望。