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湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）一種適用于無源rfid的低靜態(tài)電流ldo穩(wěn)壓器設(shè)計+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，湖南長沙410082；2.長沙麓湖微電子技術(shù)有限公司，湖南長沙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。基于csmc0. 5模型庫對其進(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.頻信號自動識別目標(biāo)對象電子標(biāo)簽并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，識別高速運動物體并同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便，因而有廣泛的應(yīng)用。rfid可分為有源和無源電子標(biāo)簽，其中無源電子標(biāo)簽自身不帶電源，工作時需要從讀寫器周圍的電磁場獲得能量。無源供電技術(shù)是無源電子標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)之，它先將接收到的信號經(jīng)過整流，從中獲取初級整流工作電壓，該初始工作電壓經(jīng)過后級的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。
本文給出了一種適用于無源13. 56mhzrfid標(biāo)簽芯片的ldo（1owdropout）線性穩(wěn)壓器電路的設(shè)計，利用mos管遷移率"和隨溫度的變化關(guān)系，設(shè)計了一種新的基準(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.基金項目：湖南省自然科學(xué)基金資助項目（095041）湖南省科技計劃資助項目（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bookmark2 1.1基準(zhǔn)電壓源設(shè)計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)壓電路會分別為模擬電路和數(shù)字電路提供獨立的供電電源。對于工作電壓為3. 3v的數(shù)字工藝庫，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。考慮到工藝角的偏差和溫度的變化，初級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ldo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)壓器精度的最主要因素。目前常見的基準(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，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mp0，mp1中的電流，通過鏡像，假設(shè)流過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）對了求導(dǎo)可得：上0知，右式第一項具有負(fù)溫度系數(shù)（典型值為一2mv/°c），第二項具有正溫度系數(shù)，在一定溫度下，通過調(diào)節(jié)mn2管的w/l值，可以使第二項與第一項的正負(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)生對溫度不敏感的基準(zhǔn)電壓源。
相對于帶隙基準(zhǔn)電壓源電路，本文所設(shè)計的電壓源電路具有結(jié)構(gòu)簡單，很低的靜態(tài)電流消耗的優(yōu)點。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)計整體電路如所示，整個電路采用的是無錫管9，c5為儲能電容，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開始上升到約2v的時候，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就會隨著初始電壓逐漸上升。當(dāng)vhd繼續(xù)上升到一定值時，mp15支路開始有電流流過，這個電流一方面通過mp14的鏡像來給基準(zhǔn)電壓源電路提供啟動電流，另一方面通過mn12的鏡像來拉低mp11，mp10的柵極電壓。當(dāng)流過mp15中的電流達(dá)到一定值時，mp11，mp10的柵極電壓將被拉低，于是mp13，mp17的柵極電壓跳變?yōu)楦唠娖剑琺n9的柵極電壓跳變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼嘶鶞?zhǔn)電壓源的啟動過程結(jié)束，輸出穩(wěn)定的電壓，同時誤差放大器也開始正常工作，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)點是消除了當(dāng)vhd在大的范圍內(nèi)變化時對基準(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，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最大負(fù)載電流/ma115psrr/db-73.看出：當(dāng)初始電壓從3.5v變化到9v時，輸出電壓18v.為負(fù)載電流突然變化時，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，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時輸出電壓的變化曲線，本文設(shè)計的ldo穩(wěn)壓器性能總結(jié)見表1.負(fù)載電流變化時輸出電壓響應(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)常被用來作為rfid的穩(wěn)壓電路。本文提出了一種適用于無源rfidldo結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，其中重點提出了一種新的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計方案，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)到的最大峰值電流約為3ma，標(biāo)簽芯片的數(shù)字部分的最大消耗電流約為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)，特別是在無源rfid比較關(guān)心的靜態(tài)功耗方面更是有很大的優(yōu)勢，因此更適用于rfid的穩(wěn)壓器電路，其版圖如所示。