一种用于低功耗LDO的CMOS电压基准设计

杨学硕，陆铁军，宗 宇

（北京微电子技术研究所 北京 100076）

随着手机、PDA、笔记本电脑等便携式电子产品在日常生活中的普及，LDO因其低噪声、低功耗、高电源抑制比、线路成本低等，而得到广泛的关注[1]。对于便携式设备而言，续航时间是一个十分重要的指标，因此需要降低电路的功耗从而增加电池的使用时间。在LDO系统中，电压基准是核心模块之一，它和闭环电路的反馈系数共同决定了LDO的输出电压，它的精度也将直接影响到输出电压的精度。所以低功耗的LDO线性稳压器对基准电压的要求主要有两点：高精度和低静态电流。

考虑到LDO线性稳压器对精度的要求，本文将采用公认的带隙技术。具有良好性能的带隙基准电路必须保证在一定的范围内随着电源电压、工艺参数及温度的变化而发生极小的变化。虽然通过复杂的电路设计可以使得基准电压具有极小的温度系数和极高的电源抑制能力，但过于复杂的电路设计会增加电路的电流消耗，从而使整个LDO的静态电流增加，效率降低[2]。本文首先对比两种典型的带隙基准的电路结构，并针对低功耗LDO这一特定的需求，提出合理的方案；然后分析电路的工作原理，以及其它的辅助电路；最后给出本设计的仿真结果，并分析数据。

1 两种典型的带隙基准方案

1.1 利用PTAT电流产生基准电压

图1为利用PTAT电流形成带隙基准电压的原理图。两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下，它们的基极-发射极的电压差与绝对温度成正比，此时，该电压差作用在电阻R1上，并利用电流镜来复制流过该电阻的电流，就可以得到与绝对温度成正比的PTAT电流。同时，双极晶体管的基极-发射极电压，具有负温度系数。因此可以利用Q3上具有负温度系数的基极-发射极电压，以及电阻R2上具有正温度系数的电压进行加和，来得到零温漂的电压基准[3]。

1.2 在运放的输出端产生基准电压

图2为在运放输出端产生基准电压的原理图。

该电路产生正温度系数和负温度系数的原理与图1相同。不同的地方在于，它可以在运放的输出端直接实现正温度系数电压和负温度系数电压的加权相加。在该电路中，为了保证两条支路的电流相等，电阻R1和R2的阻值相同。

1.3 适用于低功耗LDO的电压基准

上面介绍的两种带隙基准都是经典结构，也是目前最常用的方法。它们都能够提供和温度无关的基准电压。但是针对不同的应用，它们各有优劣。

图1 利用PTAT电流形成带隙基准电压的原理图Fig.1 Schematic of bandgap with PTAT

图2 在运放输出端产生基准电压的原理图Fig.2 Schematic of bandgap at the output of amplifier

图1中的电路，需要2个电阻，而图2中的电路则需要3个电阻。在低功耗LDO中，为了降低电路整体的功耗，需要减小带隙基准所消耗的静态电流，所以基准电路中所用的电阻通常都比较大，而且在CMOS工艺中，无源电阻本身占用的芯片面积就很大。所以增加一个电阻，会需要更多的芯片面积。

另外，图1中的电路不能直接为后续的电路提供电流，需要在带隙电压基准和后续电路中间加入缓冲器，由缓冲器为后续电路提供电流[4]。因为，后续电路如果直接从该带隙电压基准的输出端获得电流，则该电流是PTAT电流I3中的一部分，由于后续电路对供电电流的需求不一定和绝对温度成正比，因此无法保证流过电阻R2的电流仍然和绝对温度成正比，这就破坏了产生和温度无关电压基准的基础，使带隙电压基准失去作用。在LDO中，基准电压的精度决定着输出电压的精度，所以，如果在LDO电路中采用这种带隙基准，必须加入缓冲器。但是，在低功耗LDO中，缓冲器的加入无疑又引入了新的支路，增加了电流的消耗，从这个角度来讲，图2中的电路更适合于低功耗LDO线性稳压器。

2 本文设计的带隙基准

2.1 带隙基准电路中偏置电路的设计

在低功耗LDO线性稳压器中，虽然模块不多，但是仍然有启动时序的要求。通常的启动时序为，电流基准→电压基准→误差放大器→功率管。所以在电流基准的设计中，一定要保证平稳启动，然后把有用信号传递给电压基准，并启动电压基准。

图3 电流基准电路Fig.3 Schematic of current bias

图3表示本文采用的电流基准电路。为了降低LDO电路的静态电流，电流基准所提供的偏置电流仅为50 nA。M5，M6和M10工作在亚阈值区，在减小芯片面积的同时，可以降低支路的电流消耗。为了提高输出基准电流的PSRR，使输出基准电流随电源电压Vdd变化较小，采用了由M0和M10构成的第三条支路，它们形成一个负反馈系统。当M1的栅端电压升高时，M0和M5的沟道电流均减小，由于 VR=（Ids5+Ids10）（R1+R2），所以M5的源端电压降低得很快，从而使M1的栅端电压迅速下降，最终使整个电路的电流稳定。M10管的源端与M5管的源端接在一起，能够使得整个电路形成更快的负反馈，从而补偿了由于电流减小造成的负反馈系统的不稳定，解决了整个电路电流不稳定的问题[4]。M0，M1和M2构成电流镜，它们均工作在饱和区。因为饱和区的电流受Vds的影响较小，可以实现电流的精确复制。由于工作电流比较小，又工作在饱和区，所以只能采用倒比管来实现。其中M3，M4，M7，M8，M9构成电流偏置电路的启动电路。

亚阈值区MOS管漏极电流表达式[5]为

其中，I0为单位饱和电流，VT=kT/q，ζ是亚阈值斜率因子。如果，VDS＞＞VT，VT=kT/q，那么 exp（－VDS/VT）可以忽略。 因两条支路电流相等，所以

从而推导出：

从公式（3）可以看出，在亚阈值模型的推算当中，输出电流是被晶体管宽长比的比值和电阻唯一确定的，这也说明基于传统的基准电流源的工作原理，工作在亚阈值区的MOS管是可以用来生成和电源无关的基准电流的。由于电阻本身也有温度系数，所以采用两种分别具有正负温度系数的电阻来减弱由电阻引起的温漂。本文所采用的TSMC 0.18um工艺，高阻poly是负温度系数，NWELL电阻是正温度系数，但是NWELL电阻在制作过程中变化较大。但只要保证各个corner、规定温度范围内芯片都能正常工作即可。

2.2 带隙基准电路中运算放大器的设计

图4为本文设计的带隙基准电路。其中，运算放大器采用两级结构来提高增益。为保证系统的稳定性，使用了米勒补偿。M16的栅端和电流基准中M0的栅端连在一起，构成电流镜，来获得偏置电流。当降低电路的静态电流时，放大器的尾电流也会相应降低，系统的带宽也会变窄。但是，这个放大器只需要有一个高的增益，保证两节点电压相等，并不需要一个大的带宽，因为带隙基准电路基本上工作在直流状态，外界对它的干扰比较小[6]。

按照零温度系数的设计原则，电阻R3的电压为

因此，流过电阻R3的电流大小为

所以，基准电压为

室温下 ∂Vbe/∂T≈-1.5 mV/℃， 然而 ∂VT/∂T≈0.087 mV/℃，不妨假设一个系数，令 α=（R4/R3）VTlnN，若要获得零温度系数，则α=17.2，所以VREF是一个定值。

理论上，带隙基准电路产生的电压为1.25 V。实际中，电路还会受到电阻温度系数的影响，通常产生的基准电压并非就是1.25 V。设计该电路时，为运算放大器分配200 nA的电流，Q1和Q2所在支路各分配100 nA的电流，整个电路的消耗仅为0.5 uA。

图4 设计的带隙基准电路Fig.4 Schematic of the proposed bandgap

3 性能仿真验证

仿真运用Cadence公司的Spectre软件以及TSMC的0.18um混合信号模型库。在电源电压为5 V的条件下对工艺角的3种极端情况进行了温度扫描，仿真结果如图5所示，当温度在-55～125℃变化时，TT工艺角下的温漂系数仅为10.52 ppm/℃，FF工艺角下的温漂系数为15.39 ppm/℃，SS工艺角下的温漂系数为18.98 ppm/℃。图6为室温下，基准电压随电源电压变化的曲线，当电源电压为1.3 V时，电路就能建立起1.213 V的基准电压输出，

图5 不同工艺角下基准电压随温度变化的曲线Fig.5 Output voltage under different corner and temperature

图6 基准电压随电源电压变化的仿真曲线Fig.6 Output voltage under different input

图7 静态电流随电源电压变化的仿真曲线Fig.7 Ground current under different input

当电源电压升高时，输出电压基本保持不变。图7为室温下，电路的静态电流消耗随电源电压变化的耗为523 nA，静态电流的消耗随着电源电压的上升情况，当电源电压上升到1.4 V时，输出的基准电压建立起来，电路正常工作，此时，基准电流的消而上升，但是电流增加的幅度不大，最大为538 nA。图8为PSR的仿真结果，低频时的电源抑制比可以达到-85 dB。

图8 PSR仿真结果Fig.8 Simulation result of PSR

4 结 论

本文基于传统的带隙基准电路，并针对于低功耗LDO线性稳压器这一特殊应用，提出了一个高精度，低静态电流，高电源抑制的带隙基准。该电路仅是低功耗LDO线性稳压器的一个模块，没有单独的投片计划。测试结果将在后续的LDO线性稳压器的设计中给出。

[1]诸葛坚，陈迪平，陈弈星.一种适用于低功耗LDO的CMOS电流基准设计[J].电源技术，2011，6（35）:711.

[2]张慧敏，崔新，杨硕.基于LDO稳压器的带隙基准电压源的设计[J].电工研究，2013（4）:36.

[3]Razavi Behzad.模拟CMOS集成电路设计[M].西安交通大学出版社，2002.

[4]王忆，何乐年.CMOS低压差线性稳压器[M].科学出版社，2012.

[5]Allen Phillip E.CMOS模拟集成电路设计[M].电子工业出版社，2007.

[6]崔传荣.新型低功耗无片外电容LDO[D].浙江大学，2008.