【摘 要】
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电源管理芯片是当今系统芯片应用中的关键模块,特别是在低功耗和高集成度的应用中。随着现代集成电路的不断发展,降低供电电压以降低功耗,同时将各种模拟、数字和射频模块集成在一个片上系统（System Ona Chip,SOC）上,多个电压调节器以满足不同模块对不同调节电压的需求。在不同的片上电源管理候选模块中,低压差线性稳压（Low Dropout Regulator,LDO）模块被广泛应用于小尺寸、低
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电源管理芯片是当今系统芯片应用中的关键模块,特别是在低功耗和高集成度的应用中。随着现代集成电路的不断发展,降低供电电压以降低功耗,同时将各种模拟、数字和射频模块集成在一个片上系统（System Ona Chip,SOC）上,多个电压调节器以满足不同模块对不同调节电压的需求。在不同的片上电源管理候选模块中,低压差线性稳压（Low Dropout Regulator,LDO）模块被广泛应用于小尺寸、低供电纹波或快速瞬态响应的系统中。此外,在不同的LDO拓扑结构中,输出无电容LDO在SoC应用中受到了越来越多的关注。本文紧跟技术发展动向,对电源管理中使用率很高的LDO模块进行设计,关注如何提高LDO模块的温度范围、提高LDO模块的环路稳定性两个重点,以提高系统的集成度和可靠性,本文主要研究内容如下:（1）对LDO中所使用的带隙基准电压源进行分析,对比常见的带隙基准电压源结构。传统带隙基准电压源不能在很宽的温度范围下工作,且基准电压的温度系数很大。带隙基准输出作为基准量时,通过误差放大器后,与理论基准值偏差更大,从而影响了 LDO模块整体性能。本文采用的可调温度曲线的带隙基准电压源结构,阐述了其工作原理,所设计的可调温度曲线的带隙基准电压源电路,在采用低压带隙结构的同时,补偿电路用到了加法电路、减法电路和电流镜。基准电压源利用正温度系数补偿电流和负温度系数补偿电流可以精确地校正不同曲率的温度漂移,通过温度补偿电路可在较宽的温度范围内提供精确的参考电压和良好的温度系数。仿真该电路能在电源电压为1.5V时工作,并在宽温度范围内（-40～150℃）实现基准电压源良好的温度特性。（2）设计本文LDO模块所需的启动电路和偏置电路,启动电路能够在LDO模块正常工作时处于断开状态,降低整体电路模块的功耗。针对本文LDO模块设计两级误差放大器,并对误差放大器做密勒补偿,仿真其增益、相位裕度和共模输入范围都满足电路要求。在此基础上设计了辅助电路用来保证LDO模块正常工作,其中包括欠压保护电路、过温保护电路和过流保护电路,并对其功能进行验证。（3）在Cadence Virtuoso仿真软件中基于SMIC公司的180nm工艺下,实现了宽温度范围、高稳定性LDO模块电路,该LDO模块电路可工作于-40～150℃温度下,输入电压范围较广（1.4～3V）,整个LDO模块电路的线性调整率低、瞬态响应快、品质因素低,仿真结果表明,本文设计的LDO模块电路在输入为1.5V,输出为1.2V,负载电流为10mA时,在温度范围为-40～150℃下,在典型工艺角下,未进行补偿的带隙基准源模块温度系数为7.795ppm/℃,增加补偿电路之后的温度系数降低为3.87ppm/℃。设计LDO电路版图之后进行后端仿真,并与前仿真做对比,结果表明前后仿真差异在合理偏差范围内,满足本文设计指标要求。
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