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一种提高线性电源抑制率的直流电源设计

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-19 09:22    点击量:

    402标志码:直流电源管理是当前一个非常热点的研究课题,特别是在手持设备中,直流电源管理对线性直流电源利用的效率有着至关重要的作用.在直流电源管理系统中,低压线性电源稳压(lowdrop-out,LDO)直流电源电路是其不可或缺的关键模块.

一种提高线性电源抑制率的直流电源设计
    在稳定输出电压的同时,线性电源稳压直流电源电路通过抑制直流电源纹波提高核心直流电源电路对外部直流电源的抗干扰能力.在射频收发机系统中,数字直流电源电路中时钟的馈通将导致直流电源电压波动,进而对射频直流电源电路如压控振荡直流电源电路(voltagecontrolledoscillator,VCO)产生频率推移(frequencypushing)作用,使其输出频率发生抖动,从而影响到接收机的整体性能.所以,提高直流电源纹波抑制率(powersupplyripplereection,PSRR)从而降低直流电源纹波分量是LDO设计的关键,也是解决核心直流电源电路模块通过直流电源线相互串扰的个重要方法.

    提高输入直流电源纹波的抑制能力的方法有多种,如采用预稳压的方法,对直流电源电压进行预稳压,从而得到比较稳定的局部直流电源电压,然后再通过LDO进一步的稳压,从而提高直流电源纹波抑制率.然而,这种方法需要消耗额外的电压裕度,而且为了降低电压裕度损失,需要采用其他辅助直流电源电路,从而增大了芯片的面积和设计的复杂度.又如采用前馈放大器和求和运算放大器,在误差放大器的输出端引入与直流电源相同的纹波.

    从而在传输晶体管中抵消掉纹波的影响.然而,这种方法需要增加额外的直流电源电路,此外,因为插入直流电源电路级数增加,需要进行额外的直流电源电路补偿,增大了芯片尺寸和直流电源电路设计的难度.在实际应用中,般均在输入端接入大的电解电容形成低通滤波结构,以滤除高频直流电源纹波的影响,且直流电源纹波一般为低频率的纹波波动,如市电转换为直流后残余的纹波电压.因而提高低频段LDO的PSRR是当前直流电源电路设计的难点.而LDO的低频直流电源抑制率主要受电压基准(bandgapreferencevoltage,BGR)波动的影响.

    本文提出二极管连接负载形式的跨导运算放大器(operationaltransconductanceamplifierwithdiodeconnectedloading,DCL-OTA)和自给偏置直流电源电路的方法,来提高LDO的直流电源抑制率.使用DCL-OTA将直流电源纹波引入误差放大器的输出端,通过抵消PMOS电流镜G-S间的纹波来提高bandgap的PSRR;采用自给偏置,省去了误差放大器中偏置直流电源电路的设计,同时避免直流电源纹波通过bandgap中的电压比较器影响LDO的PSRR.上述设计方法在TSMC 0.13pmCMOS工艺下进行了流片验证.

    1LDO系统结构1.1LDO的基本结构LDO主要由电压、误差放大器、传输晶体管和采样直流电源电路所组成,如所示.采样直流电源电路将输出电基金项目:国家自然科学基金资助项目(61176029)压按比例反馈给误差放大器,误差放大器将反馈电压与电压进行比较,产生控制电压来调节传输晶体管,使其在提供足够电流的同时稳定输出电压.电压般采用带隙基准电压直流电源电路结构以减小电压的温漂.所以LDO的设计,实际上是一个电压反馈环路的设计.

    LDO基本结构在直流电源电路设计中,需要考虑两个问题:1)输入电压的波动;2)输出负载的变化.对于前者,LDO应具有足够的直流电源纹波抑制率;对于后者,LDO应具有一定范围可调等效内阻,从而为输出提供足够的电流驱动能力.

    1.2LDO的直流电源抑制率分析LDO对直流电源纹波的抑制能力指标用直流电源纹波抑制率(PSRR)来表征,其定义为:输出纹波电压与输入直流电源纹波电压的比值,一般采用对数形式,如(1)式所示.

    其中,7为LDO输出端的纹波电压,Vdd为LDO输入端的直流电源纹波电压.

    LDO的带负载系统模型Fig.所示的LIX)基本结构中,其误差放大器一般采用二级OTA结构,传输晶体管采用共源放大的PMOS管以减小输入-输出之间的直流压降,采样直流电源电路采用电阻分压式将输出电压按比例反馈至误差放大器.将影响LDO的主要寄生参数进行提取和集总化,得到LDO等效模型,如所示.其中,Cpail和Cp2分别为误差放大器第1、级的等效电容,Cpass为片外小电容,CLd为片外电解电容,Resr为其等效串联电阻,Rlod为负载等效输入电阻.

    1)直流电源纹波,dd导致的bandgap输出端纹波为,则由,rf引起的输出端纹波,.ugr:由于电解电容Cuad决定了整个LDO环路的主极点.所以低频分析时,忽略其他参数的影响,分别考虑直流电源纹波导致的各模块在输出端的纹波,有如下3种情况,o 3)直流电源纹波Vdd通过传输晶体管引起的输出端纹波,.ut 2)直流电源纹波Vdd导致的误差放大器输出端纹波Vea,则由Vea引起的输出端纹波Vouu

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