用于低压差线性稳压器的输出精密微调设计技术*

牟云飞，佟星元

(西安邮电大学，陕西省通信专用集成电路设计工程研究中心，西安710121)

MU Yunfei，TONGXingyuan*

(Communication ASIC Design Engineering Center，Xi’an Univ．of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China)

生活中对高效节能电子产品的迫切需求推动着电源管理技术的不断发展，作为电源管理芯片中的关键模块，低压差线性稳压器(LDO:Low Dropout regulator)具有压差低、效率高以及响应快等优点，应用非常广泛［1－2］。目前已有不少文献对高性能LDO 做了深入研究［1－5］。其中，文献［1］基于高摆率、推拉式输出的放大器设计了一种具有快速瞬态响应的线性稳压器。文献［2］基于嵌入式无线血压传感器的应用需求，利用MOS管替代传统LDO结构中的电阻网络，以减小芯片面积。文献［3］基于90nm CMOS设计了一种0．9V输出电压的LDO，通过在环路中引入小增益中间级，在不增加低频极点的情况下提高了环路增益，具有较快的响应速度。文献［4］提出了一个具有4种输出电压的LDO，通过在误差放大器和调整管之间插入缓冲器，改善了LDO电源抑制比和瞬态响应。文献［5］描述了一种具有单一固定输出电压的LDO，在无输出大电容的条件下，提出了稳定LDO输出电压、改善瞬态特性的有效方法。然而，目前已有的成果大多是针对LDO的面积、功耗和响应速度等指标进行优化，并未针对固定的输出电压提出可微调设计，对于高精度数据转换器等应用，往往需要非常稳定的电源电压和基准［6］，这要求嵌入其中的LDO具有比较精确的输出微调能力。

在以上应用需求下，本文提出了一种基于可微调电阻梯的LDO输出精密微调技术，并在65 nm CMOS工艺下进行了电路设计和仿真验证，输出电压在1．02 V ～1．36 V 范围内，可按 0．02 V/step的最小步长进行微调，能有效减小由电源波动、温度漂移等因素引起的输出误差，非常适合高精度数据转换器等电路系统的应用。

1 LDO系统结构

LDO系统结构如图1所示，主要包括基准产生电路、误差放大器、MOS调整管MP和反馈网络。其中，带隙基准电压源为系统内部提供一个精确的基准电压Vref，当负载发生变化时，通过电阻反馈网络得到一个反馈电压Vf，误差放大器将反馈电压Vf与基准电压Vref进行比较放大，Vf与Vref之间的误差信号经放大后控制调整管的工作状态，形成负反馈，进而调整输出电压Vout的变化，使其稳定在一定的范围之内。

图1 LDO系统结构

为了使输出电压可微调，在反馈网络中引入了可调电阻梯，通过控制信号ct＜4:0＞对电阻Rtrim进行微调，进而调节LDO的输出电压。输出电压可表示为:

2 电路设计

2．1 可微调电阻反馈网络

本文设计的可微调电阻梯如图2所示，整个模块Rtrim包含32个单位电阻R0～R31、5个逻辑控制信号ct＜4:0＞，其中ctv＜4＞为 ct＜4＞的反相信号，端口A和B之间的32个单位电阻以串联的形式连接，单位电阻阻值为R。通过调整控制信号ct＜4:0＞的逻辑值，可实现对电阻梯Rtrim阻值的微调，可微调电阻梯的阻值如下:

图2 反馈网络中的可微调电阻梯

整个LDO的输出微调步长Δ为:2R×Vref/Rf。

本文阐述的可微调电阻梯的阻值以及LDO的输出与微调逻辑控制信号的对应关系如表1所示。当ct＜4:0＞ =00000或11111时，Rtrim=16 R，设计 Vout=Vf+8Δ =1．2V，根据 ct＜4:0 ＞ 的取值，在 Vf～(Vf+16Δ)范围内进行微调。

表1 LDO输出电压与微调控制信号对应关系表

考虑纳米级CMOS嵌入式SoC的应用需求，模拟电路采用2．5 V标准电压，数字电路采用1．2 V电压。在设计过程中，可微调电阻梯中的逻辑控制信号都由电平转换器产生，本文采取文献［7］中提出的电平转换器结构进行设计。

2．2 环路稳定性设计

LDO是一个闭环负反馈系统，需要考虑其环路的稳定性。整个LDO的等效结构可简化为图3所示，该LDO有两个极点，分别为LDO的输出极点P1和误差放大器的输出极点P2，其中，P2可表示如下:

图3 LDO等效电路图

其中，AMp为调整管MP的电压增益，r0和c0分别为误差放大器的交流输出电阻和输出电容，Cgd可看做密勒补偿电容。为了降低LDO的压差，调整管MP一般尺寸较大，使得Cgs较大，极点P2处于较低的频率。为了保证足够的相位裕度，LDO在使用过程中一般会外加一补偿电容。为了增强应用的灵活性，本文设计了片上电容CL，将P1推向低频，作为主极点，可近似表示为:

基于Spectre仿真工具对电路进行了仿真，图4所示是LDO环路的AC仿真结果，环路增益约为47 dB，相位裕度为 67°。

图4 LDO AC仿真结果

2．3 电压基准电路

电压基准电路用来为芯片提供一个受电源、工艺以及温度变化影响很小的电压，主流结构是带隙基准电路。目前已有很多基于非线性曲线校正、高阶曲率补偿的相关成果［8－9］。为了保证嵌入式模块电路的结构简单，本文设计了一种具有一阶温度补偿的基准电路，如图5所示。在2．5 V电源电压下，带隙基准的输出参考电压1．003 V，在温度从－40℃到 120℃范围变化时，温度系数为 37．3×10－6/℃。

图5 电压基准电路

3 版图设计与优化

整个LDO电路基于65 nm CMOS工艺进行版图设计，包括补偿电容在内，面积为93．2μm×71μm，如图6所示。

为了减小纳米级CMOS工艺误差以及工艺不稳定性产生的影响，本文充分考虑了整体的布局布线和核心模块中关键器件的匹配。首先，对电压基准电路以及可微调电阻梯中的电阻进行了匹配性设计，所有电阻均由单位Poly电阻组合而成，在电阻平行布局的同时，采取了dummy电阻保护，以保证电阻之间比值的准确性。其次，误差放大器中的差分输入对管采取共中心对称布局以提高匹配性，减小输入失调误差。

4 设计结果与分析

基于本文提出的LDO输出可微调设计技术，采用65 nm CMOS工艺，基于Cadence工具进行了电路设计，并在不同Corner下进行了仿真，验证了可微调设计技术的实用性。整个LDO电源电压输入范围为2．2 V ～5．0 V，在2．5 V 电源电压、TT Corner下，带隙基准的输出基准电为1．003 V，在温度为－40℃ ～120℃ 范围内，温度系数为 37．3×10－6/℃。在TT Corner、25℃条件下，当控制信号ct＜4:0＞为00000或11111，LDO输出电压为1．198 V，变化曲线如图7所示，当电源电压在2．2 V～5．0 V范围内变化时，输出变化0．16 mV，线性调整率约为0．05 mV/V。

图7 LDO输出与输入关系曲线

图8给出了LDO的输出在不同ct＜4:0＞条件下的结果，其中最小微调步长约为0．02 V/step。本文设计的电路中，R/Rf=1．5/100，微调步长的理论值Δ=2R×Vref/Rf应为0．03 V/step。由于逻辑控制开关由MOS管实现，MOS管具有一定的内阻，当MOS管闭合时，并不能将相应部分的电阻完全短路，因此，实际微调步长比理论值偏小，约为0．02 V/step。在ct＜4:0＞ =5'b0或5'b1时，Vout在理论上应相等，但在两种情况下，由于实际开关和电阻的组合方式不同，输出结果略有差异。通过调整控制信号ct＜4:0＞的逻辑值，可对LDO的输出电压在1．02 V ～1．36 V范围内微调。

图8 LDO输出微调结果

5 总结

提出了一种用于LDO的输出精密微调方法，在此基础上，基于65 nm CMOS工艺进行了电路设计、版图设计和仿真验证，整个LDO的输入电压范围约为2．2 V～5．0 V，通过调节可微调电阻梯的大小，输出电压能够在1．02 V～1．36 V范围内按最小步长0．02 V/step进行微调，能够有效减小由电源波动、温度漂移等因素引起的输出误差。在输出电压为1．2 V时，线性调整率约为0．05 mV/V，满足高精度数据转换器等系统应用。

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