湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）一種適用于無(wú)源RFID的低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)+陳迪平1C，高雪杰1，曾建平1，陳弈星2（1.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.長(zhǎng)沙麓湖微電子技術(shù)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410082）提出了一種新的基準(zhǔn)電壓源電路和一種利用輸出電壓為基準(zhǔn)電壓源電路供電的方式，使得該LDO穩(wěn)壓器具有低靜態(tài)電流、輸出電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。基于CSMC0. 5模型庫(kù)對(duì)其進(jìn)行了仿真，初始電壓在3.49V的變化范圍內(nèi)，該電路輸出電壓僅變化0.535mV，電路自身的靜態(tài)電流僅為5.79pA.頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象電子標(biāo)簽并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便，因而有廣泛的應(yīng)用。RFID可分為有源和無(wú)源電子標(biāo)簽，其中無(wú)源電子標(biāo)簽自身不帶電源，工作時(shí)需要從讀寫器周圍的電磁場(chǎng)獲得能量。無(wú)源供電技術(shù)是無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)之，它先將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流，從中獲取初級(jí)整流工作電壓，該初始工作電壓經(jīng)過(guò)后級(jí)的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。

　　本文給出了一種適用于無(wú)源13. 56MHzRFID標(biāo)簽芯片的LDO（1owdropout）線性穩(wěn)壓器電路的設(shè)計(jì)，利用MOS管遷移率"和隨溫度的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種新的基準(zhǔn)電壓源電路，并提出一種利用輸出電壓為基準(zhǔn)電壓源電路供電的方式，使得輸出電壓受初始電壓影響很小。該穩(wěn)壓器具有較寬的輸入電壓范圍（3.49V），超低的靜態(tài)電流（5.79PA）和電壓調(diào)整率（0.基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（095041）湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008F3123）：陳迪平（1962?），男，湖南醴陵人，湖南大學(xué)教授1種低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)bookmark2 1.1基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)為了減小模擬電路和數(shù)字電路之間的相互影響，標(biāo)簽芯片中穩(wěn)壓電路會(huì)分別為模擬電路和數(shù)字電路提供獨(dú)立的供電電源。對(duì)于工作電壓為3. 3V的數(shù)字工藝庫(kù)，要求數(shù)字電路供電電源在3. 03.6V范圍內(nèi)變化，否則數(shù)字電路可能工作不正常?？紤]到工藝角的偏差和溫度的變化，初級(jí)整流電壓的大范圍變化因素，為了保證數(shù)字電路供電電源在所指定的范圍內(nèi)，目前般米用的是LDO結(jié)構(gòu)。

　　如所示為L(zhǎng)DO的一般結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊、誤差放大器模塊、分壓網(wǎng)絡(luò)、傳輸元件4部分組成。

　　而基準(zhǔn)電路是LDO線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是影響穩(wěn)壓器精度的比較主要因素。目前常見(jiàn)的基準(zhǔn)電壓源采用的是帶隙基準(zhǔn)電壓源，如所示為常見(jiàn)的帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路結(jié)構(gòu)。帶隙基準(zhǔn)源具有電壓輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)自身的靜態(tài)電流不能降得太低，基于進(jìn)一步降低靜態(tài)電流的目的，本文設(shè)計(jì)的一種基準(zhǔn)電壓源如所示。

　　而MN2，MN3的柵源電壓Vgs分別表示為：其中MN3的W/L比較大，為流過(guò)MP0，MP1中的電流，通過(guò)鏡像，假設(shè)流過(guò)MN2和MN3電流也為，且電流可表示為：將式（2），（3），（4）代入式（1）中可得：將式（5）對(duì)了求導(dǎo)可得：上0知，右式第一項(xiàng)具有負(fù)溫度系數(shù)（典型值為一2mV/°C），第二項(xiàng)具有正溫度系數(shù)，在一定溫度下，通過(guò)調(diào)節(jié)MN2管的W/L值，可以使第二項(xiàng)與第一項(xiàng)的正負(fù)溫度系數(shù)在常溫下（可取為25C）相抵消，使得的溫度系數(shù)為0，即=，從而產(chǎn)生對(duì)溫度不敏感的基準(zhǔn)電壓源。

　　相對(duì)于帶隙基準(zhǔn)電壓源電路，本文所設(shè)計(jì)的電壓源電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很低的靜態(tài)電流消耗的優(yōu)點(diǎn)。Spectre模擬仿真結(jié)果表明，所示的基準(zhǔn)電壓源電路的輸出穩(wěn)定且靜態(tài)電流僅為1.95pA. 1.2整體電路設(shè)計(jì)整體電路如所示，整個(gè)電路采用的是無(wú)錫管9，C5為儲(chǔ)能電容，R2，C2構(gòu)成低通濾波電路。

　　電路的工作原理如下：當(dāng)初始電壓VHD由0開(kāi)始上升到約2V的時(shí)候，由于電容C6的作用，使得MP11，MN10構(gòu)成的反相器電路輸出低電平，MP12，MN11構(gòu)成的反相器電路輸出高電平，于是MP13，MN9導(dǎo)通，因此MP13的漏極電壓和輸出電壓VDD就會(huì)隨著初始電壓逐漸上升。當(dāng)VHD繼續(xù)上升到一定值時(shí)，MP15支路開(kāi)始有電流流過(guò)，這個(gè)電流一方面通過(guò)MP14的鏡像來(lái)給基準(zhǔn)電壓源電路提供啟動(dòng)電流，另一方面通過(guò)MN12的鏡像來(lái)拉低MP11，MP10的柵極電壓。當(dāng)流過(guò)MP15中的電流達(dá)到一定值時(shí)，MP11，MP10的柵極電壓將被拉低，于是MP13，MP17的柵極電壓跳變?yōu)楦唠娖?，MN9的柵極電壓跳變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼嘶鶞?zhǔn)電壓源的啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，輸出穩(wěn)定的電壓，同時(shí)誤差放大器也開(kāi)始正常工作，將輸出電壓VDD穩(wěn)定在3.3V左右。從圖中可以看出，VDD正常輸出后為基準(zhǔn)電壓源電路提供電源，而基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓又產(chǎn)生穩(wěn)定的VDD電壓輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是消除了當(dāng)VHD在大的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)基準(zhǔn)電壓源的影響，從而使得輸出電壓VDD受VHD的影響更小。

　　2電路仿真結(jié)果基準(zhǔn)電壓源及輸出電壓的仿真結(jié)果如所示，從（a）和（b）中的曲線可以看出，當(dāng)溫度從一45C變化到85C時(shí)，基準(zhǔn)電壓源的輸出變化了約12mV，溫度系數(shù)為101.4ppm/°C，在20C時(shí)溫度系數(shù)為0，輸出電壓變化了約45mV.為輸出電壓VDD隨初始電壓VHD的變化曲線，從圖中可以工藝CSMC0.5ym輸入電壓范圍/V3.49基準(zhǔn)電壓源靜態(tài)電流/yA1.95總靜態(tài)電流/yA5.79溫度系數(shù)/（ppm/C）1014電壓調(diào)整率/（mV/V）0099比較大負(fù)載電流/mA115PSRR/dB-73.看出：當(dāng)初始電壓從3.5V變化到9V時(shí)，輸出電壓18V.為負(fù)載電流突然變化時(shí)，輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)。從圖中可以看出當(dāng)負(fù)載電流在5ys內(nèi)從5yA變化到3mA時(shí)，輸出電壓變化約90mV，并且很快恢復(fù)穩(wěn)定輸出。

　　為負(fù)載電流從0變化到3mA時(shí)輸出電壓的變化曲線，本文設(shè)計(jì)的LDO穩(wěn)壓器性能總結(jié)見(jiàn)表1.負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓響應(yīng)3結(jié)論由于LDO結(jié)構(gòu)具有很高的穩(wěn)壓性能以及足夠的負(fù)載能力，因此該結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用來(lái)作為RFID的穩(wěn)壓電路。本文提出了一種適用于無(wú)源RFIDLDO結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，其中重點(diǎn)提出了一種新的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)方案，利用MOS管遷移率"P，"和VbE隨溫度的變化關(guān)系，產(chǎn)生了隨溫度變化較小的基準(zhǔn)電壓源，并利用輸出電壓為基準(zhǔn)電壓源電路供電，基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓又產(chǎn)生穩(wěn)定的VDD輸出電壓的閉環(huán)原理，使得輸出電壓受初始電壓影響很小。本文設(shè)計(jì)的LDO電路結(jié)構(gòu)具有較寬的電壓輸入范圍（3.49V），低的總靜態(tài)電流（5.79yA），低的電壓調(diào)整率（0.099mV/V），大的負(fù)載電流（11.5mA），而RFID天線感應(yīng)到的比較大峰值電流約為3mA，標(biāo)簽芯片的數(shù)字部分的比較大消耗電流約為500yA，且除了溫度系數(shù)低于傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)外（傳統(tǒng)典型值約為20ppm/C），其它各指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)，特別是在無(wú)源RFID比較關(guān)心的靜態(tài)功耗方面更是有很大的優(yōu)勢(shì)，因此更適用于RFID的穩(wěn)壓器電路，其版圖如所示。