崔亮 马琳 王鑫

摘  要：通过对稳压器电路的输出噪声进行详细分析，在带隙基准输出端构建一低通滤波器，有效滤除了带隙基准对LDO输出噪声的影响。提出了用MOS管产生大电阻的低通滤波器结构，有效地减小了滤波器面积。引入了快速启动电路，使LDO输出电压噪声很低的同时能够快速启动。电路采用0.25 μm CMOS工艺流片。测试结果表明：输出噪声电压为9 μVrms，达到设计要求。放大器采用3.7～5.0 V供电，输出为3.3 V，面积仅为1.1×1.1 mm2。

关键词：线性稳压器;低通滤波器;电流噪声

中图分类号：TN432      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）12-0028-04

Abstract：Through a detailed analysis of the output noise of the voltage regulator circuit，a low-pass filter is constructed at the output end of the bandgap reference to effectively filter out the influence of the bandgap reference on the output noise of the LDO. A low-pass filter structure that generates large resistance with MOS transistors is proposed，which effectively reduces the filter area. A fast start-up circuit is proposed to enable the LDO output voltage noise to start quickly while being very low. The circuit uses 0.25 μm CMOS process tape out. The test results show that the output noise voltage is 9μVrms，which meets the design requirements. The amplifier uses 3.7～5.0 V power supply，the output is 3.3 V，the area is only 1.1 × 1.1 mm2.

Keywords：linear regulator;low-pass filter;current noise

0  引  言

随着全球信息化技术的发展，集成电路设计的重要性越来越突出，大规模集成电路芯片的设计要求也越来越高，如何将数字电路、模拟电路、射频电路集成到一颗芯片上，同时各种电路的性能发挥到极致，是一个巨大的挑战。

随着SoC无线通信技术的发展，对电源提出了带负载能力强、功耗小、体积小、电磁干扰小、噪声小、响应速度快等越来越高的要求，越来越多的芯片将数字电路、模拟电路、RF电路和电源电路集成到同一芯片上，而RF电路对噪声非常敏感，这就对低噪声电源提出了迫切需求。本文介绍了一款低噪声快速启动线性稳压器，用于给噪声敏感电路供电。

1  噪声分析

低压差线性稳压器主要包括带隙基准电路、误差放大器电路、功率管、反馈电阻网络以及过温保护、过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护等电路，如图1所示。

其原理是带隙基准电路输出不随温度和电源电压变化的基准电压VREF，输入到误差放大器的负端，误差放大器和功率器件通过反馈电阻网络构成一个负反馈系统。输出具有一定带负载能力的稳定电压VOUT。

功率管MP的电流噪声  ，包括它的热噪声和1/f噪声，由于输出端功率管MP用来提供负载电流，宽长比很大，所以这部分噪声对输出电压的噪声影响很小，可以忽略。从上述公式中可以看出，反馈电阻R1和R2的比值直接影响输出噪声的大小，在固定输出电压和基准电压的稳压器电路中，反馈电阻R1和R2的比值是确定的。如图1所示，在带隙基准电路的输出端和误差放大器负输入端中间接入RC低通滤波器，可以很好地滤除带隙基准电路的输出等效噪聲  ，最终降低稳压器输出电压的噪声。

低通滤波器截止频率越低，滤除噪声效果越好;所需的充电时间越长，启动越慢。实际应用中要求电源既具有低噪声的性能也要求快速启动，所以本文设计了一款低噪声快速启动线性稳压器，满足了实际应用中的需求。

2  噪声优化设计

由以上分析可知，在带隙基准输出端接一个RC低通滤波器，可以有效地滤除带隙基准输出端的噪声，且截止频率越低，滤除噪声的效果越好。为了获得足够低的RC低通滤波器截止频率，就要求RC的值要很大。因此有两种选择，可以片上集成电阻，外接nF级电容;也可以内部集成大电阻和小电容。本文采用内部集成大电阻和小电容的方法，将电阻和电容都集成到芯片内，既实现了低噪声又可以保证芯片的面积小，不需要额外接分立器件。

为了能够充分的抑制噪声，RC低通滤波器的截止频率需要非常低，将其设置为0.1 Hz。片上集成电阻电容，比较合理的电容值为100～300 pF，电阻值为1～10 GΩ。低通滤波器的大电阻用MOS管实现，如图3所示，VREF为带隙基准电路输出的基准电压，VREFC为滤波后的基准电压，通过镜像电流源结构在M1的漏端产生1 nA左右的电流，流过M1的电流非常小，这样二极管连接的M1的栅源电压很小，M2与M1构成镜像电流源结构，M1与M2的宽长比（W1/L1）=100（W2/L2），M2漏源电阻即为GΩ级的电阻。

从图4中可以看出，M2寄生的PNP晶体管存在漏电流，会造成直流偏移，等效阻值下降。寄生PNP管的漏电流与M2的面积成正比，所以M2的面积W2×L2越小越好。同样的，为了使M1减小漏电流，M1的面积也要设计的尽量小。图4为M2的剖面图，M2的电流很小，等效电阻很大，在版图设计上要做P和N保护环，即P-Sub和N-Well的保护环，这样可以减少漏电。

同时，RC低通滤波器产生的从电源电压到基准输出之间的极点，对于PSRR来说，相当于引入了一个零点，从而改善了高频处PSRR降低的特性。

3  电路设计

通过上文的分析，已知在带隙基准电路的输出端和误差放大器负输入端中间接入RC低通滤波器，可以很好地滤除带隙基准电路的输出噪声。低通滤波器的截止频率越低，滤除噪声的效果越好;所需的充电时间越长，启动越慢。而基准电压启动过慢会造成稳压器输出电压启动过慢。实际应用中要求电源既具有低噪声的性能也要求能快速启动，因而引入快速启动电路。下文主要介绍了本文设计的快速启动电路、低通滤波电路以及数字控制电路，通过数字控制电路，控制传输门的导通和关断，实现快速启动电路和低通滤波电路的切换。

本文设计的数字控制电路、快速启动以及低通滤波电路如图5与图6所示。图6中的VB1、VB2为基准电路输出的偏置电压，产生不随电源电压变化的偏置电流;图5中的D1信号是与图6中的VREF相关的数字信号，D1信号监测VREF的启动，芯片电源启动过程中，VREF启动完成即达到预设值之前，D1输出低电平，VREF启动完成即达到预设值之后，D1输出为高电平;图6中，M2等效为一个GΩ级的电阻，与C1构成截止频率很低的低通滤波器;M1与M2构成镜像电流源结构，M1为二极管连接，M1连接的电流源可以通过多级镜像基准电流源实现，使得流过M1的电流为1 nA。M1与M2的宽长比比值很大，这样就可以实现流过M2的电流非常小，从而实现GΩ级的等效电阻。

本文设计通过数字控制电路，控制传输门的导通和关断，实现快速启动电路和低通滤波电路的切换，分为三种工作状态，以下对三种工作状态结合图5、图6做了详细分析。

状态1：图5中，D1为低电平时，A1、A2为高电平，A3、A4为低电平;图6中VREF上电完成后，D1输出为高电平，由数字控制电路图可以分析出，电容C3需要一定的充電时间，在充电电平未达到后接施密特反相器的翻转电平之前，A1、A2为高电平，A3、A4为低电平，此时图6中快速启动电路对VREFC快速充电，当VREFC低于VREF时，电路工作在比较器状态，M14栅极电压很低，M19对C1快速充电;随着VREFC越来越高，M14的栅压随之降低，充电电流随之减小;最终电路工作在单位增益缓冲器状态，VREFC与VREF基本相等，简化后的电路图如图7所示。

状态2：图5中，当C3上极板电压达到后接施密特反相器的翻转电平;C4上极板电压未达到后接施密特反相器的翻转电平时，A1、A2翻转为低电平，A3、A4翻转为高电平。图6中开关管M3打开，使得VREF=VREFC。这样就可以消除快速充电造成的过冲和比较器输入失调引起的误差。简化电路图如图8所示。

状态3：图5中，当C4上极板电压达到后接施密特反相器的翻转电平时，A1、A2保持低电平，A3保持高电平，A4翻转为低电平。图6中开关管M3关断，VREFC充电完成，低通滤波器电路正常工作简化电路图如图8所示。

4  测试结果

设计采用0.25 μm CMOS工艺实现。图9、图10分别给出了低噪声快速启动线性稳压器芯片的版图和芯片的输出噪声测试结果。

图9为低噪声快速启动线性稳压器芯片版图，芯片面积为1.1×1.1 mm2，版图中有一些监测用PAD，面积还可以做的更小;图10为输入电压为5.0 V，负载为10 mA，输出端电容为1 μF条件下的输出噪声曲线。对曲线进行积分，然后开方，可以得到输出噪声电压为9 μVrms，满足了设计要求。

同时对快速启动电路和低通滤波电路以及数字控制电路的工作过程仿真验证，同时对比了没有快速启动电路时，低噪声稳压器的启动过程。仿真结果表明，没有快速启动电路的基准电压的启动，启动时间很长为S级，增加了快速启动电路的基准电压的启动，启动时间约为μS级，启动非常迅速。同时测试结果表明，噪声密度满足设计要求。

5  结  论

本文设计了一款低噪声快速启动线性稳压器，设计基于0.25 μm CMOS工艺。芯片中集成了低通滤波器和快速启动电路、数字控制电路，在实现低噪声的同时也保证了线性稳压器的快速启动。通过芯片内部集成大电阻和小电容结构，既实现了低噪声又可以保证面积小，不需要额外接分立器件。测试结果显示，低噪声稳压器的噪声性能良好，达到了设计指标要求。

参考文献：

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作者简介：崔亮（1987—），男，汉族，河北保定人，主任设计师，硕士研究生，工程师，研究方向：硅基、化合物集成电路设计。