应用于射频能量收集芯片的参考电压输出缓冲器设计

刘东来

摘要：本文设计了一种应用于射频能量收集芯片的参考电压输出缓冲器，并利用软件仿真加以验证;并为射频能量收集芯片设计了最大可输出3V的参考缓冲器。采用SMIC 180nm CMOS工艺完成电路设计，核心面积为0.012mm2，spectre仿真结果显示，参考缓冲器的单位增益带宽大于40MHz，直流增益大于78dB，共模抑制大于80dB，电源电压抑制比大于80dB，从而证明所设计的参考电压缓冲器满足应用需求。

关键词：参考电压，参考电压缓冲器，能量收集芯片

引言

近年来，5G通信、智能家居、物联网等领域的便携式电子产品发生了颠覆性的改进，成为我们社会中不可或缺的一部分。而电池作为传统的能量来源，对产品的使用、寿命和成本提出了严格的使用限制，然而，射频能量收集器却可持续不断地为电子设备供电。目前，射频能量已经成为新型能源的研究重点，随着自供电系统的CMOS射频能量收集芯片朝着高速和高精度的方向发展，参考电压的快速稳定成为设计的主要难点。对于单片集成的能量收集芯片，片上参考缓冲器不允许采用大电容稳压，电压波动需要依赖参考缓冲器自身驱动能力来消除。

1、参考电压缓冲器电路设计

所设计的参考电压缓冲器如图 1所示。由于电源电压为3.3V，参考电压为3V，所以采用NMOS管作为输入管。第一级采用折叠共源共栅结构，通过电流的合适分配可以同时提高输入管的跨导和共源共栅结构的输出电阻，达到增益最大化。而且提高输入管的跨导可减小输入失调电压和增大带宽。第二级采用Class AB的输出级结构，可以在保证极低的静态功耗下提供足够的动态电流，从而提高大信号响应时的速度。第一级和第二级之间采用共源共栅miler补偿方式来保证环路稳定性，经补偿后该参考电压缓冲器环路可以近似看成单极点系统。

开关切换过程重参考电压稳定的状态分为非线性大信号建立和线性小信号建立。10%的建立时间用于大信号的压摆，90%的建立时间用于小信号的线性响应。虽然本设计的参考电压为3V，但是通常参考电压的最大波动在百毫伏量级。因此可假设开关切换导致的最大电压变化为1V，则压摆率SR为

SR=1/（0.1*31.25ns/2）=640V/us

假设能量收集芯片的采样电容为2pF，则参考缓冲器需要提供的最小电流为

Iout=SR*2pF=1.28mA

对于单极点系统，其阶跃响应为[12]

其中，ε为稳定误差，τ为时间常数，β为反馈系数，GBW为运放的单位增益带宽，则响应时间为

对于一般，ε为1/213，则该放大器的最小单位增益带宽为GBW=

-ln（ε）/（2*π*31.25ns*0.9）=51.01MHz

放大器的有限开环直流增益会在闭环系统中引入增益误差ξ=1-Aβ/（1+ Aβ）对于能量收集芯片，增益误差ξ应小于1/213，因此放大器的开环直流增益应大于78dB。

2、模拟仿真结果

在SMIC 180nm CMOS工艺下对参考电压缓冲器进行了设计和仿真。版图如图 4所示，核心为0.012mm2。接下来分析均基于后仿真进行，仿真条件为：温度-40～85°C，电源电压2.4～3.6V，负载2pF。图 5为参考缓冲器的环路频率特性以及相应的相位裕度，带宽和直流增益，其直流增益>78，带宽>40MHz，相位裕度>45°。图 6为共模抑制比频率特性和直流共模抑制比，直流共模抑制比>80dB。图 7为电源抑制比频率特性和直流电源抑制比，直流电源抑制比>80dB。图 8为参考电压波动的情况，虽然最大波动达到560mV，但是所设计的参考电压缓冲器依然可以在半个周期内稳定参考电压。

3、结论

本文分析了参考电压缓冲器电路性能的影响，并根据射频能量收集芯片的参数设计参考电压缓冲器电路。缓冲区一级电路采用NMOS管作输入，基于折叠共源共栅结构，使得电路达到增益最大化。缓冲区二级电路基于Class AB的输出结构，保障大信号响应时的速度，电路一级和二级之间基于共源共栅补偿方案保证系统环路的可靠性，经过后仿真分析，所设计的电路完全满足应用需求。

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項目名称：应用于自供电系统的CMOS射频能量收集芯片的研究项目来源：永州市2020年度指导性科技计划项目编号：2020-YZKJ-040。