便攜式設備中的電源效率解析

摘要
　　電源效率對于便攜式設備以及模擬 IC 的噪聲抗擾度來說都非常重要。本文主要介紹電壓參考電路，其不僅支持極低的工作靜態(tài)電流（低于 250nA），而且還符合標準 CMOS 工藝。這種電路針對各種應用進行了優(yōu)化設計，適合便攜式電子設備、汽車、醫(yī)療設備，以及高電源抑制比 （PSRR） 和開關噪聲抗擾度都非常重要的片上系統(tǒng) （SoC） 實施。
　　上述電壓參考在低頻率下支持 90dB。輸出電壓變化的標準偏差是 0.5%，在 –40°C 至 125°C 溫度范圍內的溫度系數(shù)為 15ppm/°C。這些特性可在 1.6V 至 5.5V 的電源電壓范圍內實現(xiàn)?？蓪嵤└鞣N用于為電壓參考實現(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） 技術時，參考電壓模塊不應成為限制因素。也就是說這類系統(tǒng)所選用的技術工藝對于參考電壓源來說并不一定總是最理想的。因此，其設計應該更穩(wěn)健，才能適應各種技術工藝的變化。
　　電池通?？勺鳛?SoC 的電源。這就更需要提高工作在大電源電壓范圍內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現(xiàn)高電源抑制比 （PSRR），以抑制來自高速數(shù)字電路、降壓轉換器或片上其它開關電路的噪聲。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構
　　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)壓器拓撲在靜態(tài)電流、DC 負載穩(wěn)壓、瞬態(tài)響應、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 結構并不適合。
　　這些結構與超低靜態(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。不宜采用標準 LDO 結構的原因在于它需要輸出電容器來實現(xiàn)穩(wěn)定工作。最佳選項是帶一個增益級的結構，其無需輸出電容器便可實現(xiàn)穩(wěn)定。
　　低壓降穩(wěn)壓器
　　圖 1 是該設計［1］中所使用 LDO 的內核及其簡化原理圖。圖 1［2］ 中的 M0 和 M4 代表翻轉電壓跟隨器 （FVF），其可實施無逆向功能及相關極點的單級穩(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 M 2和 M3）決定?？勺鳛樨撦d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 結構進行穩(wěn)定性分析，結果顯示只有一個極點（公式 1）：
　　
　　可作為補償電容器的 M0 柵源電容器可創(chuàng)建 LDO 的主極點。因此無需去耦片外電容器，便可使 LDO［3］ 穩(wěn)定。
　　
　　圖 1.具有翻轉電壓跟隨器、無輸出電容器的 LDO