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无线传感器网络SoC芯片电源模块LDO的设计研究论文电子版下载 口经验交流口doi103969jissn16711041xxO1019鲞麦旦无线传感器网络SoC芯片电源模块LDO的设计王萍(九江学院电子工程学院，九江33xx)摘要采用SMIC018lxm CMOS工艺，设计了一种应用于无线传感器网络SoC芯片中射频收发机模块的LDO。 具有低温度系数，低静态电流和高电源电压抑制比。 其电源电压抑制比大于58dB在tkHz。 在一40一+85的范围内。 温度系数为687ppm。 电源电压在2036V的变化范围内。 LDO能提供18V的稳定输出电压。 lO0mA的输出电流。 芯片面积为0168mm，最大静态电流为2219A。 测试结果表明带隙基准的输出电压为0429V，LDO的输出电压是1850V。 关键词无线传感器网络SoC；线性降压变换器；误差放大器；带隙基准源TN4文献标志码B Designof LDOfor WSN SoCsystem WANGPing(School ofElectronic Industyand Engineering，Jiujiang University，Jiujiang33xx，China)AbstractIn this paper，a LDOwith highpower supplyrejection ratio，low temperaturecoef ficient，and lowquiescent current hasbeen developed，whic happlies forRF transceiverof wireless sensor workSoCPSRR ismore than58dB atlkHzUnder awide rangeof temperaturefrom一40to+85the temperaturecoef ficientis687ppmoCWith thepower supplyfrom20to36V，it canprovide astable outputvoltage18V，and outputcurrent100mAThe LDOc hiparea isabout0168mmand maximumquiescent currentis2219pAThe measuredresults showthat theoutput ofbandgap referenceis0429Vand thatof LDOis1850VKey wordswirelesssensor workSoC；LDO；error amplifier；bandgap referenceO引言LDO(Low DropoutRegulator)线性降压变换器是一种电源管理电路，它实现DCDC的电压变换，并且有较大的电流驱动能力，广泛应用于电池供电的无线移动系统中。 本文设计的LDO是应用于无线传感器网络SoC中，为射频收发机模块提供电源。 由于无线传感器网络SoC低功耗的要求，所以LDO的设计，低功耗是需要着重考虑的因素。 LDO是一个闭环负反馈系统，由带隙基准源，误差放大器，反馈网络，功率调整管组成。 由于LDO是一个多级系统(至少三级)，要保持LDO对负载变化的稳定，必须进行频率补偿。 本文第一部分介绍LDO的结构和工作原理，第二部分分析LDO的性能及影响因素，对LDO系统的稳定性做出详细的分析，第三部分给出版图及仿真的结果，第四部分是测试结果，最后一部分得出结论。 1LDO结构及原理如图l所示，LDO主要由四部分组成电压调整54ElC VO118xxNo1管、误差放大器、电阻反馈网络和参考基准电压源。 其工作原理误差放大器经反馈网络对输出电压采样，再与带隙基准源的参考电压比较，然后通过对调整管(功率PMOS)的控制，使误差信号趋近于零，从而输出稳定的电压。 一V；隙基准R0l l图1LDO系统结构框图2LDO的性能分析21LDo的稳定性LDO本质上是一个由多级运放构成的电压调节系统，高的开环电压增益是提高输出电压调节精度的保证。 LDO的级联等效模型如图2所示。 由误差放大器，功率调整管组成了三级结构的电压调节器。 在亚微米工艺下，运放要实现高的增益，常采用两级欢迎光临本刊网站eicCB仪器仪表用户的结构。 其中误差放大器是采用gml，gi n2两级放大，功率调整单元中的放大级gm3。 设p1，_p2，p3分别为前后三级各输出结点上极点位置，其相对大小由该点的输出电阻和电容Ci决定。 在三极点系统中，通常采用基于零极点抵消的频率补偿技术，通过某种方式引入一个零点z，以抵消中问位置的一个极点。 这样在剩下且相互远离的两个极点中，通过低频增益大小的设置，若将GBW控制在两极点之间，既可确保系统的稳定。 引入零点的方法很多，因而频率补偿的方法也就很多。 传统的补偿方法是片外大电容补偿的方法。 在输出端接人一个F级的电容Cc，由Cc和其等效串联电阻R产生一个零点来抵消三个极点中中间的一个，达到补偿的目的。 r?一圈?一一图2LDO级联等效模型图2所示系统的传递函数可以表示如下H(s)=(1+)(1+)(1+)O)pl O)p2O-)p3疵2)式中，尺，c，分别表示误差放大器的第一级输出电阻，输出电容，其中，R，=rds2r出(表示MOS管的小信号输出电阻)，CI=C I5+C I4+c舰+CcD4+(1+gm2R，)Cct。 1O)p2 (3)式 (3)中R，C，分别是误差放大器输出电阻，输出电容。 R，=rds6r15，C，=CcS仰+(1+g Rm)CcDMP+CG嘶+CcDl5。 1RillCIII (4)式 (4)中的尺埘，c分别表示反馈电阻和与负载电阻的等效电阻，负载电容与补偿电容之间的等效电容。 R，=(n+R，2)RR，CIIICc+CMP+CL。 O9Z11 (5)图3是LDO电路图。 由于误差放大器中C，C，是欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息口经验交流口MOS的寄生电容，电容值相对较小，而在C，C，中，由于功率调整管的WL较大，可以达到10000txm1m以上，因此其米勒等效电容也相对较大，而C是一个微法数量级的片外补偿电容，因而在三个极点的大小是l2引入l就是为了抵消p2，通过选取合适的补偿电容，在一定范围之内实现零极点抵消，达到补偿的目的。 V dd图3LDO电路图此外，输出负载阻抗随电流的线性变化，导致主极点位置也随负载电流的变化，输出电流越大，负载电阻越小，主极点也相应增加，稳定性下降，考虑到负载电容等效串联电阻也与工作条件和环境温度有关，造成零点与极点在负载变化下不能完全抵消，不能实现完全补偿。 这也是传统LDO结构的一个主要的缺点。 从工程的角度出发，考虑到低功耗的性能要求，对LDO诸多补偿方法如电荷泵频率补偿，米勒电容补偿，DFC频率补偿等的对比发现，其他频率补偿方法在满足动态补偿和快速响应等方面有显著的优点，而在低噪声，低功耗，电路结构简单的性能上显示了不足之处。 通过仿真发现，在负载电流100mA的变化范围内，片外电容补偿仍然可以达到性能指标，因此采用片外电容补偿的方法。 22LDO的主要性能指标1)线性调整能力线性调整能力是指当输入电压发生变化时，输出电压保持恒定的能力，定义为av,R一=fI一(n j【(r出+)g ADdJ、式中，g为调整管的跨导，A。 为误差放大器的开环差模增益，为负载电阻，为调整管小信号输出电阻。 2)负载调整能力负载调整能力是指当负载电流发生变化时，输电压保持恒定的能力，定义为口经验交流口V01R+尺，2， 1、，0g。 d R， 2、3)瞬态特性瞬态特性为负载电流突变时引起输出电压的最大变化，它是输出电容C及其等效串联电阻R和旁路电容C的函数，其中旁路电容C的作用是提高负载的瞬态响应能力。 最大瞬态电压变化?定义为，?，+ (8)式中，为电阻R，上的压降，是最大负载电流，f与LDO的闭环带宽有关，即闭环带宽越大，越小。 从式 (6)一式 (8)可以看出，提高误差放大器的开环增益就可以改善LDO的线性调整特性与负载调整特性。 而开环增益的提高会带来环路带宽的下降，以及稳定性的问题。 所以考虑精度，速度，稳定性之间的问题，只能在仿真中折中选择。 3LDO的设计与仿真分析采用SMIC018m CMOS工艺，对LDO电路进行了Spectre模拟，带隙基准源电路采用图4所示的电流模求和的结构儿。 用101F的理想电容代替片外补偿，电源电压在21V36V的范围内变化。 LDO的版图如图4所示。 图5是LDO的负载调节的瞬态特性。 图4LDO的版图Vout一1B10l1805-1l800蛰臣函1795-179O u1u UjU41J out时间us图5LDO后仿真特性当输j“负载电流瞬态增加时，输出电流未来得及变化。 输出电压的稳定状态被打破，导致输出电压被56ElC VOI18xxNO1矍麦旦瞬间下拉，进入系统的动态调节过程，输出电流增加，输出重新进入稳定状态点。 同样，当负载电流瞬间减小，引起电路新的动态调节，最终进入稳定状态点。 表l给出LDO仿真结果。 表1LDO仿真结果参数典型值电源电压2136V静态电流2219I xA温度系数687ppmf一40一十85oC)PSRR58dB1KHZ输出电流50mA(最大100mA)输出电压18ooV效率498736V，负载电流50mA4芯片测试测试利用探针台进行在片测试，测试过程中的各种寄生参数影响很小，芯片的四周所扎探针类型需要根据版图的设计进行选择。 由于LDO是电源变换器，所加的直流电源，测试时可以忽略测试探针引线的寄生效应，通过在芯片VDD输入端加上电源，逐步改变电压值，通过示波器观测LDO的输出电压以及万用表监测带隙基准输出电压，芯片照片如图6所示。 图6LDO芯片照片LDO芯片的测试步骤如下1)先接通电源，在电源达到21V一36V的范围内，通过示波器观察输出电压。 2)21V36V的范围内调节输人电压，观察输出电压，并且记录输出电压。 3)调节负载电流的变化，观察输出电压的变化，并记录输出电压。 4)调节电源电压和负载电流的变化，观察输出电压的变化。 芯片的测试结果显示带隙基准的输出端Vref的电压为0429V，LDO的输出电压为1850V，带隙基准测试的输出电压比后仿真高了29mV，将带隙基准测试数据如图7所示。 从LDO芯片测试的结果可以看出，后仿真的结果与卷片测试的结果存在误差，一方面是由于工艺的原因引起的带隙基准与LDO输出电压的偏高，另外一方面是由于LDO电路自身还存在问题所引起的。 欢迎光临本刊网站hapejc伸0v山寝暖仪器仪表用户doi103969jissn1671-1041xx01020基于虚拟仪器的实验教学研究张学军，回文静(河北工程技术高等专科学校电气自动化系，河北沧州061001)口经验交流口摘要本文主要介绍了虚拟仪器概念、特点，分析了目前实验室所存在的问题，在比较虚拟仪器和传统仪器的基础上得出了虚拟仪器在高校实验室的可行性结论。 关键词虚拟仪器实验教学TP29文献志码B Experiment teachingbased uponvirtual instrument ZHANGXue-junHUI Wen-jing(Department ofElectric Automation，Hebei Engineeringand TechnicalCollege，Cangzhou061001，China)Abstrac tInthispaper，the concept andthe characteristic sof virtual instrument areintroduc e，the questionsexisted inthe traditionallaboratory areanalyzedThe pareof virtualinstrument andtraditionary instrumentThe necessityto construc tvir tuallaboratory ispresented tocollegesKey wordsvirtualinstrument；experiment teaching O引言随着经济的高速发展，我国对教育的投入也日益增大，特别是高职高专类的学校，由于对学生实践能力越来越重视，各高校纷纷加大了对实践环节耋辞磐塞鞋图7带隙基准输出电压测试曲线5结论LDO后仿真的结果表明，电源电压从21V36V的变化过程中，输出电压能保持在18V，上下偏差不到1，而且温度系数小于10ppm(2，满足了无线传感器网络SoC的系统指标要求。 根据系统要求的最大输出电流是100mA，负载电流变化100mA的仿真条件下，使用片外大电容能满足频率补偿的要求，没有发生振荡。 电路测试的结果表明，测试结果与后仿真存在误差，需要在进一步的设计中对电路加以改进。 口欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息参考文献1吴大军，张科峰，邹志革，等基于分段温度补偿带隙实现的低温漂LDO电路J计算机与数字工程，xx，35(1O)2312372杨卫丽LDO线性稳压电源管理芯片设计D上海上海大学，xx3黄晶生，吴金，刘凡，等低压高速LDO电路系统的分析与设计J电子器件，xx，30 (1)47514柳娟娟低压差线性稳压器中核心模块的设计D成都西南交通大学，xx5HBanbaA CMOSBandgap ReferenceCireiut withSublV OperatianIEEE Journalof SolidState