分析便攜式設(shè)備中的電源效率

　　上述電壓參考在低頻率下支持90dB。輸出電壓變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差是 0.5%，在–40℃至125℃溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為15ppm/℃。這些特性可在1.6V至5.5V的電源電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。可實(shí)施各種用于為電壓參考實(shí)現(xiàn)輸入噪聲抗擾度的方法。

　　介紹

　　幾乎每款模擬電路都需要高精度高穩(wěn)定參考電壓或電流源。不過，在選擇片上系統(tǒng)(SoC) 技術(shù)時，參考電壓模塊不應(yīng)成為限制因素。也就是說這類系統(tǒng)所選用的技術(shù)工藝對于參考電壓源來說并不一定總是最理想的。因此，其設(shè)計(jì)應(yīng)該更穩(wěn)健，才能適應(yīng)各種技術(shù)工藝的變化。

　　電池通常可作為SoC的電源。這就更需要提高工作在大電源電壓范圍內(nèi)的電壓參考源的線性穩(wěn)壓性能。要延長電池使用壽命，就需要低靜態(tài)電源電流。同時，還需要在寬泛頻率下實(shí)現(xiàn)高電源抑制比(PSRR)，以抑制來自高速數(shù)字電路、降壓轉(zhuǎn)換器或片上其它開關(guān)電路的噪聲。本文主要介紹具有高PSRR的超低靜態(tài)電流帶隙電壓參考。

　　基本帶隙電壓參考結(jié)構(gòu)

　　改善 PSRR的主題思想是在低壓降穩(wěn)壓器(LDO)后面布置一個帶隙電壓源。現(xiàn)有線性穩(wěn)壓器拓?fù)?/strong>在靜態(tài)電流、DC負(fù)載穩(wěn)壓、瞬態(tài)響應(yīng)、去耦電容以及硅芯片面積要求方面存在很大差異。由于我們的目標(biāo)是在沒有外部電容器的情況下，在同一芯片上提供全面集成型LDO，因而典型LDO結(jié)構(gòu)并不適合。

　　這些結(jié)構(gòu)與超低靜態(tài)電源電流相矛盾。為了緩解這一矛盾，您可為LDO 使用與參考源相同的帶隙。不宜采用標(biāo)準(zhǔn)LDO結(jié)構(gòu)的原因在于它需要輸出電容器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。最佳選項(xiàng)是帶一個增益級的結(jié)構(gòu)，其無需輸出電容器便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

　　低壓降穩(wěn)壓器

　　圖1是該設(shè)計(jì)[1]中所使用LDO的內(nèi)核及其簡化原理圖。圖1[2]中的M0和M4代表翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器(FVF)，其可實(shí)施無逆向功能及相關(guān)極點(diǎn)的單級穩(wěn)壓。靜態(tài)電流由晶體管M1和M3確定。晶體管M2 可作為共柵放大器。

　　LDO的開環(huán)增益由第一個級聯(lián)級(即晶體管M2和M3)決定。可作為負(fù)載的 M4 PMOS跟隨器存在低阻抗源，因此 FET M0的輸出增益接近1。在圖2中的小型信號等效電路的幫助下，對所推薦的 LDO結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果顯示只有一個極點(diǎn)(公式1)：

　　可作為補(bǔ)償電容器的M0柵源電容器可創(chuàng)建 LDO的主極點(diǎn)。因此無需去耦片外電容器，便可使LDO[3]穩(wěn)定。

　　圖1.具有翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器、無輸出電容器的LDO

　　圖2.LDO的小型信號等效電路

　　這種LDO的另一項(xiàng)優(yōu)勢是簡單的自啟動程序，其無需專用電路。最初，在電壓VDD 為 0 時，VOUT也為 0，跟隨器M4 在無反饋的情況下關(guān)閉，M1的偏置電流大于M3的偏置電流。因此，柵極電壓M0 不僅可降低，而且還可驅(qū)動輸出電壓VOUT至所選的輸出電壓值。
　　這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是線路穩(wěn)壓及 PSRR差。原因在于低開環(huán)增益，因?yàn)樗鼉H由一個增益級決定。合理的解決方案可能是第一級的級聯(lián)電流源，其可提高增益，進(jìn)而可提高線路穩(wěn)壓性能和PSRR。

圖1中的LDO輸出電壓為(公式2)：

　　其中，VSET為參考電壓，VGS,M4是M4的柵源電壓。

　　因此，輸出電壓對溫度和工藝變化極為敏感。要避免這種問題，就必須創(chuàng)建一個更為理想的跟隨器，其中 M4 是反饋環(huán)路的一部分(圖3)。

　　圖3.M4位于放大器反饋環(huán)路中、無輸出電容器的LDO。

　　這種情況下的輸出電壓為公式3：

　　其中，A0是放大器的開環(huán)增益反饋。對于高反饋放大器增益而言，可使用公式4：

　　圖4.具有電阻式分壓器、M4位于放大器反饋環(huán)路、無輸出電容器的LDO

　　在反饋環(huán)路(圖4)中添加電阻式分壓器后，輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

　　VOUT=VSET(1+R1/R2)

　　FVF反饋放大器不影響整體 LDO穩(wěn)定性，因?yàn)樗挥谥鱈DO反饋環(huán)路的外部。對于本地反饋環(huán)路而言，只要求設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定。

　　帶隙內(nèi)核說明

　　所選用的帶隙內(nèi)核(圖5)采用在標(biāo)準(zhǔn)CMOS 技術(shù)中廣泛使用的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。

　　圖5.所推薦帶隙電壓參考內(nèi)核的簡化方框圖

　　通過添加雙極性晶體管的負(fù)溫度系數(shù)基射極間電壓，可獲得帶隙電壓的低溫系數(shù)，從而可通過在不同電流密度下偏置的兩個基射極間電壓之差獲得正溫度系數(shù)電壓。為電阻器R2和R3選擇相等的值，參考電壓就可表示為公式5：

　　其中VEB是Q1的基射極間電壓，VT是熱電壓，IQ1和IQ2是通過晶體管Q1和Q2的電流，而 IS,Q1和IS,Q2則分別是Q1和Q2的飽和電流。

　　誤差源

　　要為任何帶隙電壓參考實(shí)現(xiàn)良好的精確度，必須定義總體精度誤差的主要形成因素[4]。以下是所推薦架構(gòu)的最大誤差源：

　　放大器失調(diào)電壓

　　電阻器R1與R2之間的不匹配

　　雙極性晶體管的飽和電流不匹配

　　電阻器R1、R2和R3的變化

　　放大器失調(diào)電壓

　　放大器失調(diào)電壓對于參考電壓精確度來說很關(guān)鍵，因?yàn)樗ㄟ^與發(fā)射-基極電壓差相同的方式放大。盡管我們可以通過增大雙極性晶體管的面積比來減少對放大器失調(diào)電壓的影響，但由于電壓差具有對數(shù)尺度，因此我們會受到這個比例的合理值限制。在本例中，我們選擇的比例為24。

　　對放大器失調(diào)電壓影響最大的是輸入級晶體管閥值電壓變化。它可通過增大放大器輸入對的尺寸來改善(公式6)。

　　電阻器R1與R2之間的不匹配

　　電阻器R1與R2之比可定義公式5中正溫度系數(shù)項(xiàng)的增益。為了讓該增益系數(shù)準(zhǔn)確，我們使用較大面積單位電阻器。使用特殊的電阻器布局，可實(shí)現(xiàn)0.1%的誤差比例精度。

　　雙極性晶體管的電阻器與飽和電流的變化

　　這兩種變化會導(dǎo)致雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓Veb發(fā)生偏移。基極-發(fā)射極電壓可按公式7確定：

　　其中，I是發(fā)射極電流，IS是雙極性晶體管的飽和電流。引起IS變化的主要原因是Q1和Q2晶體管面積的不匹配以及雜質(zhì)濃度的變化。

　　電阻器R1的變化可影響通過晶體管Q2 的電流I的絕對值，它是負(fù)溫度系數(shù)項(xiàng)VEB的一部分。

　　電阻器R2和R3分別可確定通過Q1和Q2 的電流值。R2和R3的變化可導(dǎo)致參考電壓(公式5)的正溫度系數(shù)不準(zhǔn)確。不過，可通過對電阻器R2與R3進(jìn)行良好匹配來降低該變化所引起的誤差。