低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器

崔亮 馬琳 王鑫

摘 ?要：通過對穩(wěn)壓器電路的輸出噪聲進行詳細分析，在帶隙基準輸出端構(gòu)建一低通濾波器，有效濾除了帶隙基準對LDO輸出噪聲的影響。提出了用MOS管產(chǎn)生大電阻的低通濾波器結(jié)構(gòu)，有效地減小了濾波器面積。引入了快速啟動電路，使LDO輸出電壓噪聲很低的同時能夠快速啟動。電路采用0.25 μm CMOS工藝流片。測試結(jié)果表明：輸出噪聲電壓為9 μVrms，達到設(shè)計要求。放大器采用3.7～5.0 V供電，輸出為3.3 V，面積僅為1.1×1.1 mm2。

關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓器;低通濾波器;電流噪聲

中圖分類號：TN432 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0028-04

Abstract：Through a detailed analysis of the output noise of the voltage regulator circuit，a low-pass filter is constructed at the output end of the bandgap reference to effectively filter out the influence of the bandgap reference on the output noise of the LDO. A low-pass filter structure that generates large resistance with MOS transistors is proposed，which effectively reduces the filter area. A fast start-up circuit is proposed to enable the LDO output voltage noise to start quickly while being very low. The circuit uses 0.25 μm CMOS process tape out. The test results show that the output noise voltage is 9μVrms，which meets the design requirements. The amplifier uses 3.7～5.0 V power supply，the output is 3.3 V，the area is only 1.1 × 1.1 mm2.

Keywords：linear regulator;low-pass filter;current noise

0 ?引 ?言

隨著全球信息化技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計的重要性越來越突出，大規(guī)模集成電路芯片的設(shè)計要求也越來越高，如何將數(shù)字電路、模擬電路、射頻電路集成到一顆芯片上，同時各種電路的性能發(fā)揮到極致，是一個巨大的挑戰(zhàn)。

隨著SoC無線通信技術(shù)的發(fā)展，對電源提出了帶負載能力強、功耗小、體積小、電磁干擾小、噪聲小、響應(yīng)速度快等越來越高的要求，越來越多的芯片將數(shù)字電路、模擬電路、RF電路和電源電路集成到同一芯片上，而RF電路對噪聲非常敏感，這就對低噪聲電源提出了迫切需求。本文介紹了一款低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器，用于給噪聲敏感電路供電。

1 ?噪聲分析

低壓差線性穩(wěn)壓器主要包括帶隙基準電路、誤差放大器電路、功率管、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)以及過溫保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護等電路，如圖1所示。

其原理是帶隙基準電路輸出不隨溫度和電源電壓變化的基準電壓VREF，輸入到誤差放大器的負端，誤差放大器和功率器件通過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個負反饋系統(tǒng)。輸出具有一定帶負載能力的穩(wěn)定電壓VOUT。

功率管MP的電流噪聲 ?，包括它的熱噪聲和1/f噪聲，由于輸出端功率管MP用來提供負載電流，寬長比很大，所以這部分噪聲對輸出電壓的噪聲影響很小，可以忽略。從上述公式中可以看出，反饋電阻R1和R2的比值直接影響輸出噪聲的大小，在固定輸出電壓和基準電壓的穩(wěn)壓器電路中，反饋電阻R1和R2的比值是確定的。如圖1所示，在帶隙基準電路的輸出端和誤差放大器負輸入端中間接入RC低通濾波器，可以很好地濾除帶隙基準電路的輸出等效噪聲 ?，最終降低穩(wěn)壓器輸出電壓的噪聲。

低通濾波器截止頻率越低，濾除噪聲效果越好;所需的充電時間越長，啟動越慢。實際應(yīng)用中要求電源既具有低噪聲的性能也要求快速啟動，所以本文設(shè)計了一款低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器，滿足了實際應(yīng)用中的需求。

2 ?噪聲優(yōu)化設(shè)計

由以上分析可知，在帶隙基準輸出端接一個RC低通濾波器，可以有效地濾除帶隙基準輸出端的噪聲，且截止頻率越低，濾除噪聲的效果越好。為了獲得足夠低的RC低通濾波器截止頻率，就要求RC的值要很大。因此有兩種選擇，可以片上集成電阻，外接nF級電容;也可以內(nèi)部集成大電阻和小電容。本文采用內(nèi)部集成大電阻和小電容的方法，將電阻和電容都集成到芯片內(nèi)，既實現(xiàn)了低噪聲又可以保證芯片的面積小，不需要額外接分立器件。

為了能夠充分的抑制噪聲，RC低通濾波器的截止頻率需要非常低，將其設(shè)置為0.1 Hz。片上集成電阻電容，比較合理的電容值為100～300 pF，電阻值為1～10 GΩ。低通濾波器的大電阻用MOS管實現(xiàn)，如圖3所示，VREF為帶隙基準電路輸出的基準電壓，VREFC為濾波后的基準電壓，通過鏡像電流源結(jié)構(gòu)在M1的漏端產(chǎn)生1 nA左右的電流，流過M1的電流非常小，這樣二極管連接的M1的柵源電壓很小，M2與M1構(gòu)成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，M1與M2的寬長比（W1/L1）=100（W2/L2），M2漏源電阻即為GΩ級的電阻。

從圖4中可以看出，M2寄生的PNP晶體管存在漏電流，會造成直流偏移，等效阻值下降。寄生PNP管的漏電流與M2的面積成正比，所以M2的面積W2×L2越小越好。同樣的，為了使M1減小漏電流，M1的面積也要設(shè)計的盡量小。圖4為M2的剖面圖，M2的電流很小，等效電阻很大，在版圖設(shè)計上要做P和N保護環(huán)，即P-Sub和N-Well的保護環(huán)，這樣可以減少漏電。

同時，RC低通濾波器產(chǎn)生的從電源電壓到基準輸出之間的極點，對于PSRR來說，相當于引入了一個零點，從而改善了高頻處PSRR降低的特性。

3 ?電路設(shè)計

通過上文的分析，已知在帶隙基準電路的輸出端和誤差放大器負輸入端中間接入RC低通濾波器，可以很好地濾除帶隙基準電路的輸出噪聲。低通濾波器的截止頻率越低，濾除噪聲的效果越好;所需的充電時間越長，啟動越慢。而基準電壓啟動過慢會造成穩(wěn)壓器輸出電壓啟動過慢。實際應(yīng)用中要求電源既具有低噪聲的性能也要求能快速啟動，因而引入快速啟動電路。下文主要介紹了本文設(shè)計的快速啟動電路、低通濾波電路以及數(shù)字控制電路，通過數(shù)字控制電路，控制傳輸門的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)快速啟動電路和低通濾波電路的切換。

本文設(shè)計的數(shù)字控制電路、快速啟動以及低通濾波電路如圖5與圖6所示。圖6中的VB1、VB2為基準電路輸出的偏置電壓，產(chǎn)生不隨電源電壓變化的偏置電流;圖5中的D1信號是與圖6中的VREF相關(guān)的數(shù)字信號，D1信號監(jiān)測VREF的啟動，芯片電源啟動過程中，VREF啟動完成即達到預(yù)設(shè)值之前，D1輸出低電平，VREF啟動完成即達到預(yù)設(shè)值之后，D1輸出為高電平;圖6中，M2等效為一個GΩ級的電阻，與C1構(gòu)成截止頻率很低的低通濾波器;M1與M2構(gòu)成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，M1為二極管連接，M1連接的電流源可以通過多級鏡像基準電流源實現(xiàn)，使得流過M1的電流為1 nA。M1與M2的寬長比比值很大，這樣就可以實現(xiàn)流過M2的電流非常小，從而實現(xiàn)GΩ級的等效電阻。

本文設(shè)計通過數(shù)字控制電路，控制傳輸門的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)快速啟動電路和低通濾波電路的切換，分為三種工作狀態(tài)，以下對三種工作狀態(tài)結(jié)合圖5、圖6做了詳細分析。

狀態(tài)1：圖5中，D1為低電平時，A1、A2為高電平，A3、A4為低電平;圖6中VREF上電完成后，D1輸出為高電平，由數(shù)字控制電路圖可以分析出，電容C3需要一定的充電時間，在充電電平未達到后接施密特反相器的翻轉(zhuǎn)電平之前，A1、A2為高電平，A3、A4為低電平，此時圖6中快速啟動電路對VREFC快速充電，當VREFC低于VREF時，電路工作在比較器狀態(tài)，M14柵極電壓很低，M19對C1快速充電;隨著VREFC越來越高，M14的柵壓隨之降低，充電電流隨之減小;最終電路工作在單位增益緩沖器狀態(tài)，VREFC與VREF基本相等，簡化后的電路圖如圖7所示。

狀態(tài)2：圖5中，當C3上極板電壓達到后接施密特反相器的翻轉(zhuǎn)電平;C4上極板電壓未達到后接施密特反相器的翻轉(zhuǎn)電平時，A1、A2翻轉(zhuǎn)為低電平，A3、A4翻轉(zhuǎn)為高電平。圖6中開關(guān)管M3打開，使得VREF=VREFC。這樣就可以消除快速充電造成的過沖和比較器輸入失調(diào)引起的誤差。簡化電路圖如圖8所示。

狀態(tài)3：圖5中，當C4上極板電壓達到后接施密特反相器的翻轉(zhuǎn)電平時，A1、A2保持低電平，A3保持高電平，A4翻轉(zhuǎn)為低電平。圖6中開關(guān)管M3關(guān)斷，VREFC充電完成，低通濾波器電路正常工作簡化電路圖如圖8所示。

4 ?測試結(jié)果

設(shè)計采用0.25 μm CMOS工藝實現(xiàn)。圖9、圖10分別給出了低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器芯片的版圖和芯片的輸出噪聲測試結(jié)果。

圖9為低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器芯片版圖，芯片面積為1.1×1.1 mm2，版圖中有一些監(jiān)測用PAD，面積還可以做的更小;圖10為輸入電壓為5.0 V，負載為10 mA，輸出端電容為1 μF條件下的輸出噪聲曲線。對曲線進行積分，然后開方，可以得到輸出噪聲電壓為9 μVrms，滿足了設(shè)計要求。

同時對快速啟動電路和低通濾波電路以及數(shù)字控制電路的工作過程仿真驗證，同時對比了沒有快速啟動電路時，低噪聲穩(wěn)壓器的啟動過程。仿真結(jié)果表明，沒有快速啟動電路的基準電壓的啟動，啟動時間很長為S級，增加了快速啟動電路的基準電壓的啟動，啟動時間約為μS級，啟動非常迅速。同時測試結(jié)果表明，噪聲密度滿足設(shè)計要求。

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計了一款低噪聲快速啟動線性穩(wěn)壓器，設(shè)計基于0.25 μm CMOS工藝。芯片中集成了低通濾波器和快速啟動電路、數(shù)字控制電路，在實現(xiàn)低噪聲的同時也保證了線性穩(wěn)壓器的快速啟動。通過芯片內(nèi)部集成大電阻和小電容結(jié)構(gòu)，既實現(xiàn)了低噪聲又可以保證面積小，不需要額外接分立器件。測試結(jié)果顯示，低噪聲穩(wěn)壓器的噪聲性能良好，達到了設(shè)計指標要求。

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作者簡介：崔亮（1987—），男，漢族，河北保定人，主任設(shè)計師，碩士研究生，工程師，研究方向：硅基、化合物集成電路設(shè)計。