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集成于射频芯片的 LDO 电路设计报告总体电路仿真报告版图设计报告电子科技大学 VLSI 设计中心 2015 年 11 月 10 日

目录目录第一部分应用 ................................................................................... 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 LDO 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 0.18μm 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0.1mA～300mA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2.1～3.6V，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10Hz～100KHz 范围内的内部输出噪声积分约为，≤20μVRMS@20mA、≤50μVRMS@80mA、≤100μVRMS @300mA；电源抑制比（PSRR，在10KHZ以下）：≥60dB@20mA、≥60dB@80mA、≥60dB@300mA；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  低静态电流  0.1mA～300mA的负载电流范围内稳定工作，带载能力强  在10Hz～100KHz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

一个总体的设计框架和设计思路。电源监视芯片设计报告衡量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）电压差(Dropout 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）静态电流(Quiescent 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）效率(Efficiency) LDO的效率与静态电流和电压差有关，表达式如下式所示： IV out load IV I ( + in Q load ) η= ×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）负载调整率(Load Regulation) 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： Vout ∆ outI ∆ =LS ×100% 其中，SL为负载调整率。 5）线性调整率(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： S V = ∆ V out ∆ V in ×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）负载瞬态响应(Load 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： Vout ∆ = ∆ Im C t ax ∆• out ∆ 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 mI ax 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）电源抑制比（Power Supply Rejection 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： lg20 Vout inV PSRR = 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）噪声（noise） LDO内部噪声模型，总输出噪声为 2 V _ n out = 2 ( V _ n ref + 2 V _ n amp 1() ⋅ + R 1 F R 2 F 2 ) + V 2 2_ rn ⋅ ( R 1 F R 2 F 2 ) + V 2 1_ rn nV 2 _ ref 其中为输入参考电压Vref的噪声；为 2 _ amp nV 误差放大器以及功率PMOS管的等效输入噪声； 1_ rnV 、 2_ rnV 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， 2 2 可从3个方面入手：（1）减小参考电压 REFV 引入的噪声； (2)减小或去除反馈电阻 1FR 、 2FR ； (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

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