ЛИНЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ СО СВЕРХМАЛЫМ ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Радиотехника и связь

УДК 621-311-9

ЛИНЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ СО СВЕРХМАЛЫМ ПАДЕНИЕМ

НАПРЯЖЕНИЯ

А.С. Шайкин1, И.А. Суров2, Е.Д. Алперин1

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматривается разработка принципиальной схемы линейного стабилизатора напряжения с падением напряжения менее 200 мВ (Ultra LDO) и током нагрузки 100 мА. Предложена его структурная схема, в которую входят три основных блока: источник опорного напряжения (ИОН), усилитель сигнала ошибки (УСО) и регулирующий элемент (РЭ). В качестве усилителя сигнала ошибки используется операционный усилитель с компенсацией Миллера с конденсатором в цепи обратной связи, выполненный по МОП - технологии. В качестве источника опорного напряжения выбран bandgap core, величина напряжения на выходе которого определяется величиной ширины запрещенной зоны используемого полупроводника. Для работы УСО и ИОН требуется стабильный ток. Для его реализации используется схема термостабильного источника тока, ток на выходе которого остается стабильным в широком диапазоне температур. В качестве регулирующего элемента стабилизатора напряжения используется p-канальный МОП-транзистор, сопротивление которого изменяется таким образом, чтобы уровень выходного напряжения оставался практически постоянным, компенсируя флуктуации тока нагрузки и входного напряжения. С помощью имитационного моделирования в системе Cadence Virtuoso Schematic проверяется работоспособность стабилизатора напряжения, исследуются его температурная нестабильность, нестабильность по напряжению питания, минимальное падение напряжения, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности использования данного стабилизатора в источниках для питания процессоров и ПЛИС

Ключевые слова: стабильное напряжение, источник опорного напряжения, термостабильный источник тока, усилитель сигнала ошибки, минимальное падение напряжения

Введение

В настоящее время в портативных приборах с батарейным питанием и во вторичных источниках для питания процессоров и ПЛИС широко используются линейные стабилизаторы напряжения со сверхмалым падением напряжения.

Современной промышленностью выпускаются LDO в широком диапазоне напряжений, например, такие, как LM2995, LM2931, LP2966, LP3984 компании Texas Instruments, L4805 компании STMicroelectronics. Но по своим параметрам во многих случаях они не подходят для применения в процессорах и ПЛИС [1]. Поэтому целью данной работы являются разработка принципиальной схемы линейного стабилизатора напряжения с падением напряжения менее 200 мВ (Ultra LDO) и током нагрузки 100 мА и исследование его особенностей.

Структурная схема LDO

Структурная схема линейного стабилизатора напряжения представлена на рис. 1.

© Шайкин А.С., Суров И.А., Алперин Е.Д., 2018

Рис. 1

Структуру данного стабилизатора составляют три основных блока: источник опорного напряжения (ИОН), усилитель сигнала ошибки (УСО) и регулирующий элемент (РЭ) [2].

Опорное напряжение подается на не инвертирующий вход усилителя ошибки и сравнивается с частью выходного напряжения ивых, которое снимается с делителя Я1-Я2. Разность напряжений усиливается усилителем сигнала ошибки, выход которого подключен к последовательному регулирующему элементу, сопротивление которого изменяется таким образом, чтобы уровень выходного напряжения оставался практически постоянным, компенсируя флуктуации тока нагрузки и входного

напряжения. Для предотвращения самовозбуждения стабилизатора к его выходу подключается конденсатор CL с определенной емкостью.

Расчет и моделирование данного стабилизатора проводились с использованием технологии ХН035 (0.35 мкм) [3].

Усилитель сигнала ошибки

Усилитель сигнала ошибки выполнен по МОП - технологии (рис. 2) [4]. Его преимущества — это простота, технологичность и малая площадь, занимаемая на кристалле. В качестве цепи компенсации УСО используется компенсация Миллера с конденсатором в цепи обратной связи. Она используется для оптимизации переходных процессов и частотной характеристики усилителя.

О идых

Рис. 2

Дифференциальный каскад реализован на двух идентичных п-канальных МОП транзисторах Т1 и Т2. Два р-канальных МОП транзистора Т3 и Т4 образуют токовое зеркало, которое является динамической нагрузкой дифференциального каскада. Два п-канальных МОП транзистора Т5 и Т8 являются токовыми зеркалами, задающими ток смещения дифференциального каскада. Транзисторы Т7 и Т6 образуют выходной каскад.

Краткие характеристики УСО представлены в таблице.

Характеристика Значение

Коэффициент усиления, дБ 76

Скорость нарастания, в/мкс 35

Запас по фазе, ° 60

1СМ^ В от 0.8 до 3

Источник опорного напряжения

Для получения опорного напряжения выбрана схема источника на основе ширины запрещенной зоны используемого полупроводника (рис. 3) [5].

Ы.

je

-о Uref

№

1/55,

v„, V

Рис. 3

Он представляет собой bandgap core, состоящий из операционного усилителя А1, двух p-n-p транзисторов D1 и D2 в диодном включении, имеющих разную площадь, p - канальных МОП транзисторов Т1 и Т2 и резисторов Ri -R3. Напряжение на выходе такого источника определяется следующим выражением:

Uref =ЦБЭ1+ (I+R1/R2) ДиБЭ1, 2, ЛЦбЭ1, 2 = иБЭ2 - иБЭЪ

где иБЭ1, иБЭ2 - падение напряжений на переходе база-эмиттер транзисторов D1 и D2 в диодном включении. Значение опорного напряжения составляет 1.2 В. Температурная нестабильность опорного напряжения равна 0.5% (рис. 4), а нестабильность по напряжению питания - 0.0006% (рис. 5).

Рис. 4

Рис. 5

Источник стабильного тока

Для получения стабильных значений тока в широком диапазоне температур используется схема термостабильного источника тока (рис. 6) [6].

/

'РТАТ

I L

Й

тз й

14 №

Iref

Рис. 6

Величина тока в нем определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника. Принцип действия заключается в арифметическом сложении тока на прямо смещенном р-п-переходе, который линейно убывает с ростом температуры - СТАТ-элемент (рис. 7) и комплементарного тока на другом схемном элементе, который прямо пропорционален абсолютной температуре -РТАТ - элемент (рис. 3). Ток на выходе такой схемы описывается формулой:

Iref = I

CTAT+IPTAT

Vdd о

Рис. 7

Регулирующий элемент

Чтобы обеспечить малое падение напряжения в качестве регулирующего элемента стабилизатора напряжения используется р-канальный МОП-транзистор. Его размеры определяются следующим выражением

W

21

K P

DSatpass

где W и L - соответственно ширина и длина канала транзистора, ID - ток стока транзистора, KP - удельная крутизна транзистора, UDSatpass - напряжение насыщения транзистора. Из выражения получили следующие размеры: длина канала - L=180n, ширина канала -W=26.5m.

Моделирование стабилизатора напряжения в пакете Cadence Virtuoso Schematic

Для исследования параметров стабилизатора напряжения было проведено моделирование в пакете Cadence Virtuoso Schematic.

Температурная нестабильность выходного напряжения (рис. 8) и тока равна 0.129% (рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

Нестабильность выходного напряжения по напряжению питания равна 0.06%/В (рис. 10).

DC Response

i: /VSENSE

de

Рис. 10

Минимальное падение напряжения составляет 100мВ (рис. 11).

DC Response

i: /VSENSE

Рис. 11

Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (PSSR) равен 74дБ (рис. 12).

Рис. 12

Заключение

В результате был разработан линейный стабилизатор напряжения с падением напряжения 100 мВ, работающий в диапазоне температур от -60°С до +125°С. Диапазон входных напряжений от 2.7 В до 5 В. Величина выходного напряжения равна 2.5 В, а выходного тока 100 мА. Благодаря примененному схемотехническому решению и используемой технологии получили его параметры более точными, чем у аналогов.

Литература

1. Overview for Linear Regulator (LDO). Режим доступа : http://www.ti. com/power-management/linear-regulators-ldo/overview.html (дата обращения: 25.07.2018).

2. Thomas Н. Lее, ТЪе Dеsign оf CMOS Rаdiо -Frеquеnсy Integrated Circuits, Cambridge University Press, 2004.

3. XH035 Data sheet - X - Fab.

4. Allen P.E., Holberg D R. CMOS Analog Circuit Design. New York: Oxford University press, 2011.

5. Нано - КМОП - схемы и проектирование на физическом уровне / Б.П. Вонг, А. Миттал, Ю. Цао, Г. Старр. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2014.

6. Linden T. Harrison, Current Sources & Voltage References. New York: Technology Department Oxford, 2005.

Поступила 29.09.2018; принята к публикации 29.11.2018

Информация об авторах

Шайкин Александр Сергеевич - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: aleksandrsajkin8@gmail.com

Суров Илья Александрович - начальник лаборатории, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (394026, Россия, г. Воронеж, Старых Большевиков, 5), тел. +7(473) 226 - 29 - 37

Алперин Евгений Данилович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473) 243 - 76 - 65

LINEAR VOLTAGE STABILIZER WITH MINUTE VOLTAGE FALL

A.S. Shaikin1, I.A. Surov2, E.D. Alperin1

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JS "NII ET", Voronezh, Russia

Abstract: the development of the concept of a linear voltage regulator with a voltage drop of 200 mV (Ultra LDO) and a load current of 100 mA is considered. Its structural scheme was proposed, which includes three main blocks: a reference voltage source (RVS), an error signal amplifier (ESA), and a regulating element (RE). As an error signal amplifier, an operational amplifier with Miller's compensation with a capacitor in the feedback circuit is used, made in MOS technology. The bandgap core is selected as the reference voltage source, the voltage at the output of which is determined by the width of the forbidden zone of the semiconductor used. A stable current is required for ESA and RVS operation. For its implementation, a thermally stable current source is used, the output current of which remains stable over a wide range of temperatures. As a regulating element of the voltage regulator, a p-channel MOS transistor is used, the resistance of which is changed so that the output voltage level remains almost constant, compensating for the fluctuations of the load current and the input voltage. Using the simulation methods in the Cadence Virtuoso Schematic system, the performance of the voltage regulator is checked, its temperature instability, instability on the supply voltage, the minimum voltage drop, and the ripple suppression factor are investigated. The research results indicate the possibility of using this stabilizer in power sources for processors and EPLD

Key words: stable voltage, reference voltage source, thermally stable current source, error signal amplifier, minimum voltage drop

References

1. Overview for Linear Regulator (LDO), available at: http://www.ti.com/power-management/linear-regulators-ldo/overview.html, free (accessed: 25.07.2018).

2. Thomas H. Lee, "The design of CMOS radio - frequency integrated circuits", Cambridge University Press, 2004.

3. XH035 Data sheet - X - Fab.

4. Allen P.E., Holberg D.R. "CMOS Analog Circuit Design", New York, Oxford University press, 2011.

5. Wong B.P., Mittal A., Cao Y., Starr G., "Nano - CMOS - schemes and design at the physical level", Moscow, Tekhnosfera,

2014.

6. Linden T. Harrison "Current Sources & Voltage References", New York, Technology Department Oxford, 2005.

Submitted 29.09.2018; revised 29.11.2018 Information about the authors

Aleksandr S. Shaikin, MA, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), e-mail: aleksandrsajkin8@gmail.com

Il'ya A. Surov, Head of Laboratory, JS "NII ET" (5 Old Bolsheviks, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473) 226 - 29 - 37 Evgeniy D. Alperin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moscovskiy prospect, Voronezh 394026, Russia), tel. +7(473) 243 - 76 - 65