资料分享 | 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【002期】

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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

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资料来源于电子科技大学VLSI设计中心

共60页

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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一个总体的设计框架和设计思路。

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：

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：

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：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：ΔImax是负载电流的变化，Δt是LDO的环路响应时间，近似为LDO环路增益带宽积的倒数，Cout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：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

未

完

待

续

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