CMOS低压差稳压器设计

CMOS低压差稳压器设计 第4期 2008年8月 微处理机 MICR0PR0CESSORS No.4 Aug.,2008 CMOS低压差稳压器设计 李新,张迪,蒋晶鑫,景欣 (沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110023) 摘要:介绍了一种低功耗,低压差集成稳压器.该稳压器主要由基准电压源,误差放大器,限 流保护电路,输出调整管和取样电阻组成.当输入电压从4到10V变化时,输出电压一直稳定在 4V.输入电压为5V时,静态电流为2.3A,实现了低功耗;负载为401"2,2OQ时,最小压差分别可 以达到80mV和180mV,实现了低压差.利用Hspice对稳压器电路进行了仿真,结果表明该稳压 器具备较好的性能指标.集成稳压器采用0.5m硅栅P阱CMOS工艺实现,具有很高的实用价 值. 关键词:低压差;低功耗;集成稳压器 中图分类号:TM88文献标识码:A文章编号:1002—2279(2008)04—0033—03 DesignofaCMOSLow——DropoutVoltageRegulator LIXin,ZHANGDi,JNGJing—xin,JINGXin (InformationScienceandEngineeringInstitute,ShenyangUniversityofTechnology,Sheny ang110023,China) Abstract:Alow—power,low— dropoutvoltageregulatorisintroduced.Theregulatorismainly composedofreferencevoltagesource,erroramplifier,currentprotectioncircuit,outputregul atorand samplingresistor.Whentheinputvoltagechangesfrom4Vto10V,theoutputvoltagemaintains4V.When theinputvoltageis5V,thestaticcurrentis2.3A,SOtheregulatorobtainslow— power.Whentheloadis 40nand20Q,theminimumvoltagedifferenceis80mVand180mYrespectively,theregulatorobtains lowdropoutvoltage.TheregulatorcircuitissimulatedwithHspieesoftware.Theresultsshow theregulator hasgoodperformance.TheintegratedregulatorwillbeprocessedwithCMOSPolyGateandPwell0.51xm process,andtheregulatorhashighpracticalvalue. Keywords:Low—dropoutvoltage;Low—power;Integratedregulator 1引言 集成稳压器是一种将功率调整管,取样电路,基 准稳压,误差放大,启动和保持电路等全部集成在一 个芯片上的集成电路.依据工作方式,集成稳压器分 为线性稳压器和开关式稳压器.依据管脚的连接方 式,集成稳压器分为三端式稳压器和多端式稳压器. 依据芯片制造工艺,集成稳压器主要包括双极型, CMOS型和BICMOS型3类?.由于具有集成度高, 功耗低,噪声小,电源电压范围宽和输出电压幅度较 宽等优点,集成CMOS稳压器得到了广泛应用. 这里给出了一种低功耗,低压差CMOS集成稳 压器,当输人电压从4到10V变化时,输出电压一 直稳定在4V.当输入电压为5V时,静态电流I为 2.3,实现了低功耗;负载为40Q,2OQ时,最小压 差分别可以达到80mV和180mV.该稳压器采用标 准CMOS工艺实现,具有较高的实用价值. 2电路结构与工作原理 低压差,低功耗CMOS集成稳压器的结构如图 1所示,电路主要由基准电压源,误差放大器,限流 保护电路,输出调整管M0和取样电阻组成.该稳 压器为三端式集成稳压器,三个引脚分别为:电路的 输入端(电源),电路的输出端接地端. 2.1电路工作原理 当输出电压V.UT变化时,取样电阻R:上的电压 2/(,+R2)"随之同相变化,:/(R.+R2)r 与基准电压肌经过误差放大器进行比较,放大后, 控制调整管的栅源电压,使调整管的漏电流随 输出电压反相变化,这样输出电压,就保持恒定. 电路在使用中,如果输出与地意外短路,短路保护电 路会快速响应,控制调整管的导通状态,使调整管的 作者简介:李新(1974一),男,辽宁昌图人,博士研究生,副教授,主研方向:模拟电路设 计. 收稿日期:2006—11—01 ? 34?微处理机 导通状态被减弱,起到限流保护作用.静态电流 为输入电流与输出电流之差一,.m功耗P: VIXIm—VorX,our=(一Vour)×,0ur_+VIN×lss, 其中,(一Vo)×,.是调整管产生的功耗, ×Iss是静态电流功耗.对PMOS调整管而言,电 压驱动栅极,产生的功耗很小.电路功耗主要由静 态电流产生,Iss很小,静态电流功耗VINXIss相应很 小,控制静态电流就可以实现低功耗. 2.2电路内部结构 集成稳压器的内部电路如图2所示. Ml nvn l皇l9u w.-gu M3 depn l=98u w=9u 2008芷 图1集成稳压器的结构 基准电压镩误差放大器限流,反馈棚整电盛 图2集成稳压器内部电路 2.2.1基准电压源的设计 基准电压源电路中,M2,M3采用NMOS耗尽 管,提供一个不受电压控制的恒定电流和正温度系 数器件].M1和M4增强型NMOS管为负温度系 数器件,有助于改善电路温度系数.M2管栅源短 接,由式,D=l/C.W/L(Vca—),可知流过 M2的电流Im由Vm决定,所以在外界条件不变的 情况下,M2可以提供一个恒定的电流.这个电流对 cl充电产生启动电压V,使M导通,M3栅源的短 接可提供一个恒定的电流,它使M1逐渐达到饱和, 则它的源端电压随之升高,使M4导通.M4饱和 后,就可以提供一个恒定的电压,,连接到差动放 大器的同相输入端J. 2.2.2误差放大器的设计 误差放大器由M5,M6组成PMOS电流镜作放 大器的动态负载,M7,M8组成NMOS差动对管,M9 是尾电流源,也是NMOS4j.放大器的同相输入端 接基准电压VREF,反相输入端V一接到取样电阻R2 的一端,通过R1,调整管M0接到放大器的输出端 Vo,构成反馈通路.c3和R3串联接到放大器的输 出端Vo,它们的作用是对放大器进行频率补偿,并 消除零极点的影响.通过仿真分析,放大器的增益 预计达到50dB左右,根据这个要求设计MOS管的 宽长比. 2.2.3限流,反馈和调整电路 R0,M12,M10,M11组成限流电路控制流过调 整管M0的电流.由于流过M0的电流很大,所以 M0的宽长比设计的很大j,为29844/3.由于M0 和M10,M11的栅压相等,当流过M0的电流过大 时,流过M10,M11电流也会很大.这就使R0两端 电压增大,使M12开启并达到饱和,使得M0的栅端 电压增大,使M12开启并达到饱和,使得M0的栅源 电压减小,导致流过M0的电流减小,达到限流的目 的.c2主要起到稳定Rl两端电压的作用.输出电 压经R1,R2组成的分压器反馈到误差放大器, 经误差放大器的调节,改变调整管的管压降,来补尝 Vin变化或负载变化所引起的输出电压变化,使输 出电压基本保持稳定.压差Vdiff为调整管的管压 4期李新等:CMOS低压差稳压器设计 降,即/ff==一.因为最小压差 min)=R×jD,,r,R是PMOS管的导通电阻, lovr为输出电流.调整管M0的宽长比很大,由 Ron=1/[脚c(W/L)(一)],可知R.很小, 可达到毫欧姆级,Iovr一般为几个安培,它们相乘的 结果也很小,这样电路实现了低压差. 3电路仿真与分析 采用Hspice软件,基于0.51xm硅栅P阱模型对 电路进行仿真.温度系数仿真结果如图3所 示.输入电压为5V,当温度从一4O?变化到8O? 时,由3.1V变化到4.8V,温度系数约为 3542ppm/~C.这个值明显过大,这主要是由基准电 压源的温度系数不好造成的. 5 4 虽 量 3 ;jlii{l {{{{}{l} jlilfili—,ri 一 叶…一巾一一…一I…一,……-+一—E+———…?…一 };i{li lil;—,lil}i 斗告午l,卜?…卜十?十+m一rijj:jl:: Temperature(1in) 图3V.温度系数仿真结果 基准电压源电路中: : c()(一) : c叫()(一) 并且=ID4,=0,可得: , - W2 × xL4 ×Il+ -+ 等×?鲁 增强管M4的温度系数是负的,而耗尽管M2的 温度系数是正的].仿真结果表明,的温度系数 是正的,并且过大,说明M7的正温度系数过大.调 节/t,的系数,使温度系 数减小.增加几个W/L相同的串联管来增大M7 的沟道长度.改进后的电路仿真结果如图4所示. 当温度从一40aI=变化到80'13时,由3.5V变化到 4.4V,温度系数为1250ppmPC,温度系数明显得到 了改善. 稳压器电路的功能仿真结果如图5所示.当输 入电压是一个从0V变化到5V的阶跃电压时,输出 电压也从OV变化到4V,最后稳定在4V不变. 5.0 4.8 量4.6 繇4.4 里4.2 4.0 3.8 3.6 鲁 0 器 ? 35? Tem0erature(1in) 图4改进后的V温f筻数仿rl 01.2m1.6m Time(1in1 图5电路功能仿真结果 稳压器其它性能仿真结果:当输入电压= 5.0V,输出电流,0"在lmA到100mA变化时,负载 稳定度?Vou=6.4mV,静态电流=2.296~A;当 输入电压在5.0V到10.0V变化,输出电流 Io=40mA时,输入稳定度?r/?×Vo= 0.01.仿真结果表明,电路实现了稳压功能,并具有 较好的性能指标. 4结束语 设计了低压差,低功耗集成稳压器,并对其进行 了仿真.针对温度系数问题进行了深入分析,通过 增大M7的沟道长度来改善电路的温度系数,仿真 结果表明电路实现了稳压功能.需要指出的是,可 以采用带隙基准源作为基准来改善稳压器的温度系 数,不过这增加了工艺复杂性. 参考文献: [1]王兴君,王松林,李先锐,来新泉.一种低静态功耗的 CMOS集成稳压器的实现[J].现代电子技术,2003 (6):45—48. [2]BehzadRazavi.DesignofAnalogCMOSIntegrated Circuits[M].Xi'an:Xl'allJiaotongUniversityPress, 2003. [3]PhillipEAllan,DouglasRHolberg.CMOSAnalogCircuit DesignSecondEdition[M].Bering:PublishingHouseof ElectronicsIndust~,2005. [4]Da,ridAJohns,KenMartin.AnalogIntegratedCircuit Design[M].Beijing:ChinaMachinePress,2005. [5]贝克.CMOS电路设计布局与仿真[M].北京:机械工 业出版社,2006.