LDO芯片设计报告及电路分析报告.pdf

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、60dB80mA、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 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) 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 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 Structure 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 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 Architecture 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，减小启动电路的静态电流。 电流偏置核心电流偏置核心结结构分析构分析 如图2-5所示，此电路采用典型的与电源电压无关的偏置电路实现，由于用CMOS 实现 的电流源要比Bipolar难。借助于 MOS 管工作在弱反型状态下输出电流相对于输入电压的 指数关系可以得到良好的温度补偿特性。 PMOS 管作为电流镜工作在强反型状态 ， NMOS 管 M7 、 M8 工作在弱反型状。则电 阻 R 上的压降为： 32 14 RTVV In = 常温下 VT 约为 26mV 。由上式可以看出 R 上的压降仅与几个管子的尺寸有关。由此 实现了与温度、工艺变化相关不大的电流源 。 然而这种结构显著的缺点在于电阻的电阻 率难以保证、 并且没有补偿电阻的温度系数。 所以该电流源在结构上还有很大的改进余地 。 此偏置模块分别产生N管的偏置信号VBN和P管的偏置信号VBP，还有三个使能控制信号 IRG1、IRG2和IRG3分别控制预调整放大器、保护模块和滤波模块和过流保护模块。因为滤 波电路要在基准稳定后，才工作。故本设计中利用了偏置电流对电容的充电加上反相器来 实现三个使能信号的延迟。 实际线路图实际线路图 DC 特性分析特性分析(The Electrical Characteristics of DC) 以下将采用Smic0.5um工艺库对电路进行仿真验证。 图2-6为偏置电路中基准电流随温度的关系，从波形中可以看出，基准电流的温度特性 较差，随全温度范围变化大概50 mV ，这里与上面分析结果类似，由于MOS晶体管的VTH 与 载流子迁移率与温度有关且电阻的温度系数。故其温度系数较差，但满足后面模块对电流 源的要求。 8 电子科技大学 VLSI 设计中心 图 2-6 电流与温度的关系 图2-7为偏置模块的仿真波形图，仿真时电源电压为从2.1V3.6V，从图中我们可以看 到，偏置模块输出的电流源压，与电源电压变化较小。 图 2-7 电流源与电源电压的关系 9 电源监视芯片设计报告 图 2-8 使能信号的仿真 图2-8是BIAS模块中产生使能信号和上电启动信号的仿真波形， 从波形中可以看出使能 信号存在一定的延时，达到了设计的目的。 10 电子科技大学 VLSI 设计中心 带有修调功能的基准带有修调功能的基准模块模块 1.功能描述功能描述(Function Description) 基准模块主要是为全电路中的模块提供必要的偏置电压，该偏置基于带隙电压产生。 本模块中基准主要产生一个恒定电压值，该电压值通过与电源电压的分压比较，达到监视 电源电压变化的作用。由于对基准的精度要求很高，所以本设计中加入了修调电路模块。 2.输输入入/输出信号功能描述输出信号功能描述(Input/Output Signal Architecture Fun Description) VBP:基准偏置电流源 A、B、C、D、E、F：修调电路控制信号 EN:基准使能控制信号 VREF: 基准输出电压 3. 等效框图等效框图(Equivalent Structure Diagram) 图 2-9 等效框架图 4.实际分析实际分析(The Fundamental of Equivalent Structure Diagram) 图 2-10 温度补偿曲线 11 电源监视芯片设计报告 带隙基准的主要原理是利用与温度系数有关的电流来得到与温度系数有关的电压，利 用电压温度系数的不同来实现温度系数的补偿从而得到与温度无关的基准电压源，如图 2-10所示 1负温度系数电压（CTAT） 负温度系数电压多采用双极性晶体管的BE结电压 BE V （对PNP管为 EB V ），室温下，典 型值大约为 1.5/ BE V mV K T 。 2正温度系数电压(PTAT) 当两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，基极发射极的电压差值与绝对温度 成正比，如图2-11所示。 图 2-11 PTAT 电压产生电路 如果两个相同的晶体管( 12ss II= )偏置的集电极电流分别为 0 nI 和 0 I ，并忽略其基极电流， 那么： 00 12 12 lnlnln BEBEBETTT ss nII VVVVVVn II = 这样， BE V的差值就表现出正温度系数： ln BE Vkn Tq = 室温下，典型值大约为0.087/ T V mv k T = + 。 利用上面的 CTAT 和 PTAT 电压，可以设计出高精度的、适合设计要求的带隙基准电路， 原理如图 2-12。 12 电子科技大学 VLSI 设计中心 图 2-12 带隙基准电路图 在图 2-12 中，放大器 A1 以 X 和 Y 作为输入，驱动 R1 和 R2 的上端，使得 X V 和 Y V 近似 相等，基准电压可以在放大器的输出端得到： 2 2232 33 ln ()ln (1) T outBEBET VnR VVRRVVn RR =+=+ 调整 R2/R3 的大小，可以得到基本与温度系数无关的电压。 5.实际线路图原理分析实际线路图原理分析(The Fundamental of Actual Circuit) 图 2-13 是实际设计的电路原理图。 图 2-13 带隙基准电路 13 电源监视芯片设计报告 图 2-14 带隙基准电路中的运放（AMP）实际电路图 图2-13为本次设计中的带隙基准电路，由于此次用到的带隙基准所要求的精度较高， 所以带隙基准电路中加入了修调电路， 修调电路的结构和原 理将在修调电路章节中单独详 细介绍，这里暂且不予讨论，仅将修调电路OP以上的电阻统称为R2，以下的电阻为R3。 实际电路中，因为AMP两端可以认为是虚断，所以有如下关系： _1_233 * EBQEBQR VVIR=+ 由此得到 3 3 EB R V I R = PNP管电压电流有如下关系： 1 1 1 ln CQ EBQT SQ I VV I = 2 2 2 ln CQ EBQT SQ I VV I = 22 11 11 111 QniQni SQQ BQAQBQ qA D nqA D n IA WNQ = 14 电子科技大学 VLSI 设计中心 22 22 22 222 QniQni SQQ BQAQBQ qA D nqA D n IA WNQ = 其中q为电子电荷数 Cq 19 106 . 1 ×= ， A为发射结的横截面积， n D 为电子扩散常量， i n 为 硅的本征载流子浓度， B W 为发射区耗尽层边缘到集电极耗尽层边缘之间的基极宽度， A N 为 基区掺杂浓度， B Q 为单位基区中杂质原子的总数。 假设两个管子除了发射极面积不同以外，其它的参数都相同，则实际电路设计中取 11 22 1 8 SQQ SQQ IA IA = 由VREF输出端和AMP放大器输入端电压虚断，则有： 23RR VV= 实际电路中由于修调电阻的影响，使得电阻 2 R 的值大小是个变化值，现在用一般情况 下分析，假设： 12 RR = 所以有 12 R I R I= 因此 2 1CO I CQ I= 所以 8lnlnV 2 21 2 EBT SQCQ SQCQ T V II II V= 由以上公式可得： 8ln 3 3 R V I T R = 3 32 32 )(8ln )( 2 32 R RRV V RRIVV T BEQ RBEQREF + += += 上面是对基准电路产生的核心电路的详细推导。 15 电源监视芯片设计报告 6.实际线路图实际线路图 DC 特性分析特性分析(The Electrical Characteristics of DC) 1、DC特性仿真分析 基准电压与输入电压之间关系的仿真结果曲线 图 2-15 基准电压随电源电压的变化 图 2-16 基准电压的电源抑制比性能 16 电子科技大学 VLSI 设计中心 分析：在图2-15和图2-16中，基准电压随电源电压变化很小。此带隙基准电路具有良 好的电源抑制比。低频PSRR为72dB。 A. 基准电压与温度之间关系的仿真结果曲线 图 2-17 2.1V、3.3V、3.6V 三种输入电压下，基准电压与温度之间关系曲线 分析：由图2-17的曲线可得，基准的最大偏移为±2mV。由于最后的输出电压的采样是 与基准电压比较的，所以输出电压的精确度可以说直接是由基准电压源的精确度决定的。 所以输出电压的精确度可以到达要求。另外，基准电压最大的偏移小于2mV，一阶补偿效果 很好。基准的ppm为：12.18ppm/。由于实际工艺做出的器件存在偏差和寄生效应，故一 般基准需要修调。 B. 基准电压受MOS管、BJT和电阻工艺角r的影响的仿真曲线 17 电源监视芯片设计报告 图2-18 电源电压 2.1V， MOS 管和 BJTcorner 的仿真 图2-19 电源电压 3.3V， MOS 管和 BJTcorner 的仿真 18 电子科技大学 VLSI 设计中心 图2-20 电源电压 3.6V， MOS 管和 BJTcorner 的仿真 以上是考虑到 BJT 和 MOS 管由于工艺环境的随机性所造成的曲线的变化波形图。 总结表 格如表 1： CORNER VDD TEMP TT SS FS SF FF 2.1V -40 1.195 1.178 1.2 1.2 1.214 25 1.197 1179 1.203 1.203 1.217 125 1.195 1.175 1.203 1.203 1.218 3.3V -40 1.195 1.178 1.195 1.195 1.214 25 1.197 1.175 1.197 1.197 1.217 125 1.195 1.179 1.195 1.195 1.218 3.6V -40 1.195 1.178 1.2 1.2 1.214 25 1.197 1.179 1.203 1.203 1.217 125 1.194 1.174 1.203 1.202 1.217 (标注：标注：典型值：蓝色典型值：蓝色 最小值：紫色最小值：紫色 最大值：红色最大值：红色) 19 电源监视芯片设计报告 2、AC特性仿真结果 以下是基准内部放大器开环增益的仿真曲线和数据表格 图2-21 基准运放增益和相位曲线图 20 电子科技大学 VLSI 设计中心 带隙基准源的修调电路设计带隙基准源的修调电路设计 由于本次设计的电源监视芯片电路对基准电压精度的要求很高，而仅仅电路的仿真通 过是不够的，因为版图的设计以及以后芯片的加工和封装都会对电路的特性产生影响，无 法保证基准电压的精度（误差小于±1%）。为确保基准电压源能够消除这些潜在的隐患， 本设计加入了修调方案，使得基准电压可以在芯片封装前还可以调整，从而可以很好的保 证基准的精确度。本次设计采用译码选择方式的数字修调。图2-22是本次设计中基准的修 调电路。 图2-22 基准的修调电路 修调电阻串上端为Linkres端口，下端为Linkpnp端口，以及与MOS开关共同连接处的OP 端口，它们与外围电路的连接见图2。修调电阻串就像一个大的滑动变阻器，通过译码电路 不同的译码选择，来调节上下电阻值，从而改变基准模块图中的R2和R3的阻值，进而改变 基准电压值，起到修调作用。由于译码电路可以使电阻串上下调节，从而可以上下调节基 准大小，于是对基准的修调可以上下调节，在众多修调方案中，此种修调拥有很好的优势。 译码电路译码电路 译码电路是一个4输入16输出的普通译码器。它的电路设计图为图2-23。 21 电源监视芯片设计报告 图2-23 4-16 译码器电路 上面译码器电路的详细工作方式见表2： 表 2 译码器译码工作方式 NA (PAD05) NB (PAD06) NC (PAD07) ND (PAD08) OUT=1 VREF (V) REF V(mV) 0 0 0 0 16 1.1992 3 0 0 0 1 15 1.1935 -3 0 0 1 0 14 1.1907 -6 0 0 1 1 13 1.1879 -9 0 1 0 0 12 1.1851 -12 0 1 0 1 11 1.1823 -15 0 1 1 0 10 1.1796 -18 0 1 1 1 9 1.1769 -21 1 0 0 0 8 1.1963 0 1 0 0 1 7 1.2021 6 1 0 1 0 6 1.2051 9 1 0 1 1 5 1.208 12 1 1 0 0 4 1.211 15 1 1 0 1 3 1.214 18 1 1 1 0 2 1.2171 21 1 1 1 1 1 1.2202 24 注注 1：OUT=1，代表输出为高电平有效，即当输入 0000 时，输出为 1000000000000000，输出端口 16 输出高电平，同时与 16 相连的 NMOS 管打开。 注注 2： REF V代表基准的上下调节幅度，其中以 10000 输入所选择的译码为标准。+：代表基准相对于 1000 输入方式所得到的基准电压值上升；-：代表基准相对于 1000 输入方式所得到的基准电压下降。 22 电子科技大学 VLSI 设计中心 预调整放大器模块预调整放大器模块 1功能描述功能描述(Function Description) 在本设计中，需要用一高性能的运放放大器来形成对VREF的预调整，通过电阻反馈 网络使其直流输出为1.8V。 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) INP：基准输出电压 INN：反馈电压VFB EN：BIAS模块产生的使能信号 VBN：BIAS模块产生的电流偏置信号 3.等效加框图等效加框图(Equivalent Structure Diagram) 图2-24 BIAS 的等效架构图 4. 运放原理运放原理 随着集成电路的发展，高增益放大器已成为模拟电路设计中广泛使用的电路之一，经 常被用于设计更高一级的复杂电路-模拟系统。在本次的电源监视芯片系统中，放大器被多 次应用在不同的系统模块中。图2-25为一般负反馈电路的方框图，图中A为放大器，F为反 馈网络，X为输入信号，Y为输出信号，整个放大器的输出增益为： AF A X Y Af + = 1 当放大器增益A足够大时 F Af 1 23 电源监视芯片设计报告 理想运算放大器就这样的一种电路，它具有足够正向增益( A )的放大器，当引入 负反馈时，闭环传输函数与运算放大器的增益几乎无关。故此时运放输出等于VOUT=VREF （1+R1/R2）= 1.8 V。 图2-25 反馈电路的方框图 图2-26 标准的两级 CMOS 运算放大器 在集成电路中，具有高增益的放大器一般都为多级放大系统，其核心部分有差分对构 成。本文采用的是标准的两级COMS运算放大器，再通过电流镜负载转换成差模电压输出。 第二级由有源电阻作负载的共源放大器构成，在提高放大器增益的同时降低输出阻抗，增 大电压输出范围。 采用以上结构的运算放大器的实际电路图为图2-26所示。该电路差模增益和输出电阻 分别为： 21VVV AAA = 010 RR = 24 电子科技大学 VLSI 设计中心 由于初级和次级产生一个主极点，在典型情况下这些极点远离复平面原点且相互靠的 很近，使得相位裕度低于45度。因此必须对其补偿，增大相位裕度，保证环路的稳定性。 1）直流仿真 图2-27 放大器的直流特性仿真波形图 从图中可以看出，运放的直流输出基本跟随VREF基准电压的变化，在全温度变化范围 内只变化2mV。 2）瞬态仿真特性 图 2-28 放大器的瞬态特性仿真波形图 25 电源监视芯片设计报告 3.AC 仿真特性 图2-29 放大器的频率特性波形 26 电子科技大学 VLSI 设计中心 低通滤波器模块低通滤波器模块 1.功能描述功能描述(Function Description) 低通滤波器模块主要是为了降低整个电路中的噪声。本模块低通滤波器的极点在1Hz 以内，这样可以将前面电路的大部分噪声滤除掉，由于对电路的功耗要求很高（静态电流 20uA以内），所以加入了电压比较器电路。 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) EN:使能输入控制端 VREF18：输入1.8V电压 VBP:PMOS管栅电压偏置输入端 VBN:NMOS管栅电压偏置输入端 V18:低通滤波器输出电压端 3. 等效加框图等效加框图(Equivalent Structure Diagram) 图2-30 低通滤波器等效框架图 4.电路图原理分析电路图原理分析(The Fundamental of Actual Circuit) 27 电源监视芯片设计报告 图2-30为本次设计中的低通滤波器电路，相比于传统的无源低通滤波器，其转角频率 极低，使用传统的滤波器，要使用的电阻和量级的电容。这样将要占用很大 的芯片面积，故本设计中采用MOS管形成的有源低通低通滤波器对前面的电路噪声进行滤 波。使用这种超低频的低通滤波器的问题是，必须设计快速建立的电路使输出电压快速建 立起来。因此，在预调整电压稳定后，通过偏置模块产生的延迟信号，才使滤波电路开始 工作，且此时用比较器比较输入和输出的电压，当输出电压还未建立时，即还未达到预调 整电压时，由偏置模块镜像的电流会对 MOS 充电，使之快速建立起来。使电路不会因为加 入滤波器电路而影响其启动速度。当V18达到VREF-18时，比较器输出低电平，使M9打开， 从而M0也被关断。此时M1管处于深线性区，沟道电阻可达110Gohm，与MOS电容M5一起构 成一个超低频的低通滤波器。M5管源端漏端衬底接在一起作为电容，之所以使用MOS管作为 电容是因为可以将芯片面积降低很多。M7、M8、M4、M0管作为偏置电路，为M1管提供电流 偏置，由于此次用到的LDO电路对功耗要求较高，所以在低通滤波器输出稳定后偏置电流断 开，所以在静态电流和低噪声，快速建立时，设计取了一个折中。所用比较器如下图2-31， M64、M65、M66、M67耦合连接，组成电流镜，应用此种结构电流镜的优点是：1）稳定预防 大器的输出共模电平；2）应用了正反馈的交叉耦合PMOS管，提高与放大器的增益。这样可 以加快比较器反应速度，减低延迟，并减小功耗。 图2-31 低通滤波器电路中的比较器的实际电路图 图2-31是低通滤波器电路中的比较器的实际电路图，图2-32是反相器的实际电路图， 该运放第一级为双端输入单端输出的差分运放， VBN输入端为运放的尾电流提供栅端偏置电 28 电子科技大学 VLSI 设计中心 压，当INP为高电平INN为低电平时，第一级输出高电平，经过RC低通滤波器后作为第二级 反相器的输入，第二个反相器输出高电平，同时高电平为M32、M32提供偏置，M32、M33又 为反相器M31、M34提供静态工作点，整个运放输出高电平，在经过一个反相器输出低电平 关断晶体管M9。同时电路加入了使能控制端EN，电路正常工作时EN为高电平，不关断电路 中的偏置部分，EN为低电平时关断偏置部分。 5.实际线路图实际线路图 DC 特性分析特性分析(The Electrical Characteristics of DC) 1、DC特性仿真分析 图2-32 输出电压与温度之间关系的仿真结果曲线 分析：在图2-32中，温度在-55到125之间时，低通滤波器电路的输出电压和输入 电压一样，几乎没有降低。这揭示了在-55到125之间，电路输出电压非常稳定，不随 温度变化，性能指标达到要求。 2、AC特性仿真结果 29 电源监视芯片设计报告 图2-33 0.001Hz-1Hz 频率范围内低通滤波器增益图 分析：在图2-33中，20dB增益在0.001Hz-0.1Hz范围内基本不变，3dB带宽大概在0.1Hz 处，而在0.1Hz-1Hz范围之间，增益呈现-20dB下降趋势。这揭示了该电路是低通滤波器， 并且极点大约在0.1Hz位置，这个仿真结果符合预期，因为电路的导通晶体管设置在深线性 区，导通电阻非常大，而且MOS管电容宽长都比较大，电容值很大。 30 电子科技大学 VLSI 设计中心 保护电路模块保护电路模块 1.功能描述功能描述(Function Description) LDO是一种功率器件，为了防止功率管功耗过大导致芯片受损，在设计LDO的过程中需 要加入过温、过压欠压、输出短路保护等辅助保护电路。针对不同应用LDO中电压调整电路 大同小异，但过温、过压欠压、短路等保护电路有很多不同的设计方法，在保护状态下的 输出电流也有较大区别。本文设计了过温保护、过压欠压保护、输出短路保护等电路。 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) IRG1:输入使能控制端1 IRG2：输入使能控制端2 VREF：输入1.2V基准电压 VR04：输入0.6V电压 VBP:PMOS管栅电压偏置输入端 VBN:NMOS管栅电压偏置输入端 FB:输出电压反馈端 OFF:保护电路输出端 3. 等效加框图等效加框图(Equivalent Structure Diagram) 图2-34 保护电路等效框架图 4.电路图原理分析电路图原理分析(The Fundamental of Actual Circuit) 31 电源监视芯片设计报告 4.1 过过压欠压电路原理分析压欠压电路原理分析 由于电源电压存在较大的波动，因此过压欠压保护模块必不可少。本文设计的过压欠 压保护电路是先将由过压信号引起的电流信号转换成电压信号之后再与基准电压比较，以 确定是否过压欠压。图2-35所示为过压欠压电路实际电路图，使能控制端EN用来控制电路 是否工作，电源电压通过一系列电阻产生各种需要的电压，上面的一条支路是检测过压的， 下面的一条支路是检测欠压的，两条支路都与基准电压比较，以确定输出高电平还是低电 平，两条支路所用的比较器是相同的，运放都是图2-36中电路图。只要电路的两条支路中 任何一条输出低电平，整个模块都输出高电平，因为电路不管是出现过压还是欠压我们都 认为电路出现问题，所以模块用了与非门电路，如图2-37所示。 当电路出现过压时，上面那条支路正端输入电压大于基准电压VREF，比较器输出高电 平，从而与非门电路输出高电平，整个保护电路模块的或非门输出低电平，因此关断电路， 达到保护电路的目的；当电路出现欠压时，下面那条支路负端输入电压小于基准电压VREF， 比较器输出高电平，从而与非门输出高电平，或非门输出低电平，电路关断，电路达到保 护目的。 图2-35 过压欠压电路实际电路图 32 电子科技大学 VLSI 设计中心 图2-36 过压欠压电路中运放实际电路图 图2-37 过压欠压电路中与非门实际电路图 33 电源监视芯片设计报告 4.1.1 实际线路图实际线路图 DC 特性分析特性分析(The Electrical Characteristics of DC) 图2-38 过压欠压保护电路输出电压的特性图 分析：图2-38所示为过压欠压保护电路输出电压的特性曲线，当电源电压高于4.08V 时保护电路工作，LDO被关断；当电源电压低于1.8V时，LDO被关断。 当电源电压1.8V和4.08V之间时，LDO正常工作，过压欠压保护电路输出电压跟随电压 电压。 4.2 过温保护电路原理分过温保护电路原理分析析 过温保护电路的功能是当芯片温度高于最高工作温度时，过温保护电路开启将功率管 关断。当芯片的温度下降到安全温度时，功率管重新开启，LDO恢复正常工作。此外，为了 避免电路在关断温