spectre 仿真環(huán)境下的 ldo 前端仿真設(shè)計(jì) 趙祁,聯(lián)

1、Spectre 仿真環(huán)境下的 仿真環(huán)境下的 LDO 前端仿真設(shè)計(jì) 前端仿真設(shè)計(jì) 趙祁，聯(lián)芯科技 趙祁，聯(lián)芯科技 摘要 摘要 模擬 IC 電路設(shè)計(jì)是各項(xiàng)性能指標(biāo)折中的過程，同時(shí)需要保證在各種工藝偏差、環(huán)境溫度、電源電壓、負(fù)載應(yīng)用環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作，這是一項(xiàng)細(xì)致精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作，需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行大量繁瑣的仿真驗(yàn)證。Cadence 公司提供的 Spectre仿真工具為設(shè)計(jì)者提供了人性化的仿真環(huán)境，通過 sweep/ocean/corner 仿真工

2、具可以將仿真條件設(shè)置成參數(shù)進(jìn)行交叉仿真， 并支持對(duì)圖形和結(jié)果計(jì)算幫助設(shè)計(jì)者完成電路分析工作。本文以一款電源管理芯片 LDO 的設(shè)計(jì)實(shí)例，利用 spectre環(huán)境下不同仿真工具，分析各項(xiàng)性能指標(biāo)，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。 1 引言 引言 隨著筆記本電腦、手機(jī)、PDA 等移動(dòng)設(shè)備的普及，便攜式產(chǎn)品中電源管理類產(chǎn)品有著廣闊的市場(chǎng)， 因此電源管理模塊作為模擬電路設(shè)計(jì)的一個(gè)分支逐漸細(xì)化為開關(guān)穩(wěn)壓源、電荷泵和線性穩(wěn)壓源。線性穩(wěn)壓器（LDO）較開關(guān)電源

3、最大的特點(diǎn)是具有極低的輸出電壓噪聲以及較高的電源電壓抑制比（紋波特性），能夠應(yīng)用于對(duì)噪聲敏感的 RF 和高性能音頻電路。同時(shí) LDO 憑借壓差低、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，可為手機(jī)各功能組件供電，成為手機(jī)終端設(shè)備的低成本解決方案。2 LDO 工作原理 2 LDO 工作原理 LDO 是一個(gè)閉環(huán)反饋環(huán)路，通過負(fù)反饋控制調(diào)整管的柵壓達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的功能。其中調(diào)整管驅(qū)動(dòng)電流，誤差放大器為反饋提供開環(huán)增益。LDO 作為線性穩(wěn)壓源，需要在負(fù)載和電

4、源變化時(shí)提供穩(wěn)定輸出電壓，同時(shí)還要抑制工藝溫度、封裝寄生等因素對(duì)輸出電壓的影響。LDO 性能由 PSRR、負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率等指標(biāo)確定， 通常提高 LDO 開環(huán)增益與帶寬來提高各項(xiàng)性能。 然而 LDO 與運(yùn)放的不同之處是 LDO 的負(fù)載范圍變化大，導(dǎo)致不同負(fù)載條件下的極點(diǎn)分布有很大變化，從而給 LDO 的頻率補(bǔ)償和穩(wěn)定性帶來難度。 頻率相關(guān)反饋因子電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，Rc 和 Cc 分別為補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容，Rp 和 Cp 分別

5、為跨導(dǎo)為 gm 的運(yùn)放輸出電阻和電容。頻率相關(guān)反饋因子電路傳遞函數(shù)的低頻增益為 1，頻率特性表現(xiàn)為一個(gè)低頻 LHP 零點(diǎn)ωz，一個(gè)中頻極點(diǎn)ωpc1，一個(gè)高頻極點(diǎn)ωpc2。通過將ωpc1和ωpc2設(shè)計(jì)在 LDO 單位增益帶寬外，頻率相關(guān)反饋因子電路只表現(xiàn)為零點(diǎn)ωz，引入 LDO 反饋通路后補(bǔ)償環(huán)路次極點(diǎn)。 此技術(shù)缺點(diǎn)是 Rc 和 Rp 在百 Kohm 量級(jí)， Cc 在 pf 數(shù)量級(jí)， Cp 在百 ff 數(shù)量級(jí)，所以采用較大的補(bǔ)償電阻電容將

6、使極點(diǎn)ωpc1 和ωpc2 進(jìn)入帶內(nèi)， 這就需要 ESR 零點(diǎn)來補(bǔ)償其中一個(gè)極點(diǎn)。 如果設(shè)計(jì)兩個(gè)頻率相關(guān)反饋因子串聯(lián)， 由第二級(jí)頻率相關(guān)反饋因子的零點(diǎn)抵消第一級(jí)頻率相關(guān)反饋因子的中頻極點(diǎn)， 會(huì)使補(bǔ)償消耗更大功耗和面積。 所以這種頻率補(bǔ)償適用的驅(qū)動(dòng)管尺寸有限， 同時(shí)頻率相關(guān)因子技術(shù)增加 LDO 失調(diào)，所以不適合高性能大驅(qū)動(dòng)能力 LDO 應(yīng)用。 gmVDD Vout驅(qū)動(dòng)管 誤差放大器 R2R1壓控零點(diǎn)補(bǔ)償電路CL RLVfbRp Cp圖3

7、具有壓控零點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)的LDO 具有壓控零點(diǎn)補(bǔ)償 VCCS 技術(shù)的 LDO 原理圖如圖 3 所示，VCCS 電路輸入電壓為 LDO 輸出 Vout， 輸出電壓為反饋電壓 Vfb。 基本工作原理是利用 LDO 輸出電壓Vout 和反饋電容 C 產(chǎn)生一股壓控電流源 SCVout 流入 LDO 反饋電阻，使補(bǔ)償電容C 和反饋電阻 R2 產(chǎn)生一個(gè)左半平面零點(diǎn) Z 用于補(bǔ)償誤差放大器輸出極點(diǎn)，同時(shí)LDO 環(huán)路中還增加了一個(gè)壓控零點(diǎn)補(bǔ)償電路內(nèi)部極點(diǎn)