402標志碼:直流電源管理是當前一個非常熱點的研究課題,特別是在手持設備中,直流電源管理對線性直流電源利用的效率有著至關重要的作用.在直流電源管理系統中,低壓線性電源穩壓(lowdrop-out,LDO)直流電源電路是其不可或缺的關鍵模塊.
在穩定輸出電壓的同時,線性電源穩壓直流電源電路通過抑制直流電源紋波提高核心直流電源電路對外部直流電源的抗干擾能力.在射頻收發機系統中,數字直流電源電路中時鐘的饋通將導致直流電源電壓波動,進而對射頻直流電源電路如壓控振蕩直流電源電路(voltagecontrolledoscillator,VCO)產生頻率推移(frequencypushing)作用,使其輸出頻率發生抖動,從而影響到接收機的整體性能.所以,提高直流電源紋波抑制率(powersupplyripplereection,PSRR)從而降低直流電源紋波分量是LDO設計的關鍵,也是解決核心直流電源電路模塊通過直流電源線相互串擾的個重要方法.
提高輸入直流電源紋波的抑制能力的方法有多種,如采用預穩壓的方法,對直流電源電壓進行預穩壓,從而得到比較穩定的局部直流電源電壓,然后再通過LDO進一步的穩壓,從而提高直流電源紋波抑制率.然而,這種方法需要消耗額外的電壓裕度,而且為了降低電壓裕度損失,需要采用其他輔助直流電源電路,從而增大了芯片的面積和設計的復雜度.又如采用前饋放大器和求和運算放大器,在誤差放大器的輸出端引入與直流電源相同的紋波.
從而在傳輸晶體管中抵消掉紋波的影響.然而,這種方法需要增加額外的直流電源電路,此外,因為插入直流電源電路級數增加,需要進行額外的直流電源電路補償,增大了芯片尺寸和直流電源電路設計的難度.在實際應用中,般均在輸入端接入大的電解電容形成低通濾波結構,以濾除高頻直流電源紋波的影響,且直流電源紋波一般為低頻率的紋波波動,如市電轉換為直流后殘余的紋波電壓.因而提高低頻段LDO的PSRR是當前直流電源電路設計的難點.而LDO的低頻直流電源抑制率主要受電壓基準(bandgapreferencevoltage,BGR)波動的影響.
本文提出二極管連接負載形式的跨導運算放大器(operationaltransconductanceamplifierwithdiodeconnectedloading,DCL-OTA)和自給偏置直流電源電路的方法,來提高LDO的直流電源抑制率.使用DCL-OTA將直流電源紋波引入誤差放大器的輸出端,通過抵消PMOS電流鏡G-S間的紋波來提高bandgap的PSRR;采用自給偏置,省去了誤差放大器中偏置直流電源電路的設計,同時避免直流電源紋波通過bandgap中的電壓比較器影響LDO的PSRR.上述設計方法在TSMC 0.13pmCMOS工藝下進行了流片驗證.
1LDO系統結構1.1LDO的基本結構LDO主要由電壓、誤差放大器、傳輸晶體管和采樣直流電源電路所組成,如所示.采樣直流電源電路將輸出電基金項目:國家自然科學基金資助項目(61176029)壓按比例反饋給誤差放大器,誤差放大器將反饋電壓與電壓進行比較,產生控制電壓來調節傳輸晶體管,使其在提供足夠電流的同時穩定輸出電壓.電壓般采用帶隙基準電壓直流電源電路結構以減小電壓的溫漂.所以LDO的設計,實際上是一個電壓反饋環路的設計.
LDO基本結構在直流電源電路設計中,需要考慮兩個問題:1)輸入電壓的波動;2)輸出負載的變化.對于前者,LDO應具有足夠的直流電源紋波抑制率;對于后者,LDO應具有一定范圍可調等效內阻,從而為輸出提供足夠的電流驅動能力.
1.2LDO的直流電源抑制率分析LDO對直流電源紋波的抑制能力指標用直流電源紋波抑制率(PSRR)來表征,其定義為:輸出紋波電壓與輸入直流電源紋波電壓的比值,一般采用對數形式,如(1)式所示.
其中,7為LDO輸出端的紋波電壓,Vdd為LDO輸入端的直流電源紋波電壓.
LDO的帶負載系統模型Fig.所示的LIX)基本結構中,其誤差放大器一般采用二級OTA結構,傳輸晶體管采用共源放大的PMOS管以減小輸入-輸出之間的直流壓降,采樣直流電源電路采用電阻分壓式將輸出電壓按比例反饋至誤差放大器.將影響LDO的主要寄生參數進行提取和集總化,得到LDO等效模型,如所示.其中,Cpail和Cp2分別為誤差放大器第1、級的等效電容,Cpass為片外小電容,CLd為片外電解電容,Resr為其等效串聯電阻,Rlod為負載等效輸入電阻.
1)直流電源紋波,dd導致的bandgap輸出端紋波為,則由,rf引起的輸出端紋波,.ugr:由于電解電容Cuad決定了整個LDO環路的主極點.所以低頻分析時,忽略其他參數的影響,分別考慮直流電源紋波導致的各模塊在輸出端的紋波,有如下3種情況,o 3)直流電源紋波Vdd通過傳輸晶體管引起的輸出端紋波,.ut 2)直流電源紋波Vdd導致的誤差放大器輸出端紋波Vea,則由Vea引起的輸出端紋波Vouu
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