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 SMIC0.13μm CMOS 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 SMIC0.13μm CMOS 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
I
ABSTRACT
ABSTRACT
As a part of power management circuit,low dropout regulator is more and more widely applied to portable devices,and step forward to chip integration.Due to the characteristics of easy integration and simple application,LDO became as the first choice for many applications.Compared with the traditional LDO, LDO has disadvantages in stability and transient response,they are very difficult problems to solve.
Aiming at two shortcoming of LDO:bad stability when load current is small and relatively slow transient response speed.This paper proposed a solution to enhance transient response speed as well as stability.Detailed work is the design of LDO using SMIC0.13μm CMOS process,the LDO must give 100mA current to digital circuit load,at the same time,it must have very low dropout voltage、high PSRR performance、 low power dissipation 、 good noise performance and good transient response ability.Among all components,band gap and error amplifier are crucial circuit in this design,they directly determine the performance of LDO.In order to make the band gap to work under 1.4V power supply and keep high PSRR performance,this paper analyses the drawbacks of classical band gap structure,and make some change,then complete the design goal.At the same time,the error amplifier uses multistage amplifier to ensure enough loop gain,applying Miller compensation method to make the loop stable.Newly designed transient response enhancement circuit can make LDO work fast.The LDO(including bang gap design) is finished in SMIC0.13μm CMOS process and verified using spice program.
Simulation result shows：when the voltage of the power source is 1.4V,this LDO can produce 1.2V output voltage,it can drive 0.2mA~100mA current to load,the dropout voltage is smaller than 200mV,PSRR(@DC)is less than -58dB，PSRR(@100kHz)is less than -18dB.Quiescent Current is less than 75μA,setting time is less than 2μs,overshoot voltage is less than 72mV.
Keywords: Capless，LDO，PSRR，overshoot，CMOS process
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
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。
