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一种适用于无源RFID的低静态电流LDO稳压器设计

时间:2017/11/20 11:32:47来源:本网添加人:admin

  湖南大学学报(自然科学版)一种适用于无源RFID的低静态电流LDO稳压器设计+陈迪平1C,高雪杰1,曾建平1,陈弈星2(1.湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;2.长沙麓湖微电子技术有限公司,湖南长沙410082)提出了一种新的基准电压源电路和一种利用输出电压为基准电压源电路供电的方式,使得该LDO稳压器具有低静态电流、输出电压稳定的优点。基于CSMC0. 5模型库对其进行了仿真,初始电压在3.49V的变化范围内,该电路输出电压仅变化0.535mV,电路自身的静态电流仅为5.79pA.频信号自动识别目标对象电子标签并获取相关数据,可工作于各种恶劣环境,识别高速运动物体并同时识别多个标签,操作快捷方便,因而有广泛的应用。RFID可分为有源和无源电子标签,其中无源电子标签自身不带电源,工作时需要从读写器周围的电磁场获得能量。无源供电技术是无源电子标签芯片的关键技术之,它先将接收到的信号经过整流,从中获取初级整流工作电压,该初始工作电压经过后级的稳压电路产生稳定电压。

  本文给出了一种适用于无源13. 56MHzRFID标签芯片的LDO(1owdropout)线性稳压器电路的设计,利用MOS管迁移率"和随温度的变化关系,设计了一种新的基准电压源电路,并提出一种利用输出电压为基准电压源电路供电的方式,使得输出电压受初始电压影响很小。该稳压器具有较宽的输入电压范围(3.49V),超低的静态电流(5.79PA)和电压调整率(0.基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(095041)湖南省科技计划资助项目(2008F3123):陈迪平(1962―),男,湖南醴陵人,湖南大学教授1种低静态电流LDO稳压电路设计bookmark2 1.1基准电压源设计为了减小模拟电路和数字电路之间的相互影响,标签芯片中稳压电路会分别为模拟电路和数字电路提供独立的供电电源。对于工作电压为3. 3V的数字工艺库,要求数字电路供电电源在3. 03.6V范围内变化,否则数字电路可能工作不正常。考虑到工艺角的偏差和温度的变化,初级整流电压的大范围变化因素,为了保证数字电路供电电源在所指定的范围内,目前般米用的是LDO结构。

  如所示为LDO的一般结构,该结构由基准电压产生模块、误差放大器模块、分压网络、传输元件4部分组成。

  而基准电路是LDO线性稳压器的核心模块,是影响稳压器精度的最主要因素。目前常见的基准电压源采用的是带隙基准电压源,如所示为常见的带隙基准电压源的电路结构。带隙基准源具有电压输出稳定的特点,但该结构自身的静态电流不能降得太低,基于进一步降低静态电流的目的,本文设计的一种基准电压源如所示。

  而MN2,MN3的栅源电压Vgs分别表示为:其中MN3的W/L比较大,为流过MP0,MP1中的电流,通过镜像,假设流过MN2和MN3电流也为,且电流可表示为:将式(2),(3),(4)代入式(1)中可得:将式(5)对了求导可得:上0知,右式第一项具有负温度系数(典型值为一2mV/°C),第二项具有正温度系数,在一定温度下,通过调节MN2管的W/L值,可以使第二项与第一项的正负温度系数在常温下(可取为25C)相抵消,使得的温度系数为0,即=,从而产生对温度不敏感的基准电压源。

  相对于带隙基准电压源电路,本文所设计的电压源电路具有结构简单,很低的静态电流消耗的优点。Spectre模拟仿真结果表明,所示的基准电压源电路的输出稳定且静态电流仅为1.95pA. 1.2整体电路设计整体电路如所示,整个电路采用的是无锡管9,C5为储能电容,R2,C2构成低通滤波电路。

  电路的工作原理如下:当初始电压VHD由0开始上升到约2V的时候,由于电容C6的作用,使得MP11,MN10构成的反相器电路输出低电平,MP12,MN11构成的反相器电路输出高电平,于是MP13,MN9导通,因此MP13的漏极电压和输出电压VDD就会随着初始电压逐渐上升。当VHD继续上升到一定值时,MP15支路开始有电流流过,这个电流一方面通过MP14的镜像来给基准电压源电路提供启动电流,另一方面通过MN12的镜像来拉低MP11,MP10的栅极电压。当流过MP15中的电流达到一定值时,MP11,MP10的栅极电压将被拉低,于是MP13,MP17的栅极电压跳变为高电平,MN9的栅极电压跳变为低电平。因此基准电压源的启动过程结束,输出稳定的电压,同时误差放大器也开始正常工作,将输出电压VDD稳定在3.3V左右。从图中可以看出,VDD正常输出后为基准电压源电路提供电源,而基准电压源产生的基准电压又产生稳定的VDD电压输出。这种结构的优点是消除了当VHD在大的范围内变化时对基准电压源的影响,从而使得输出电压VDD受VHD的影响更小。

  2电路仿真结果基准电压源及输出电压的仿真结果如所示,从(a)和(b)中的曲线可以看出,当温度从一45C变化到85C时,基准电压源的输出变化了约12mV,温度系数为101.4ppm/°C,在20C时温度系数为0,输出电压变化了约45mV.为输出电压VDD随初始电压VHD的变化曲线,从图中可以工艺CSMC0.5ym输入电压范围/V3.49基准电压源静态电流/yA1.95总静态电流/yA5.79温度系数/(ppm/C)1014电压调整率/(mV/V)0099最大负载电流/mA115PSRR/dB-73.看出:当初始电压从3.5V变化到9V时,输出电压18V.为负载电流突然变化时,输出电压的瞬态响应。从图中可以看出当负载电流在5ys内从5yA变化到3mA时,输出电压变化约90mV,并且很快恢复稳定输出。

  为负载电流从0变化到3mA时输出电压的变化曲线,本文设计的LDO稳压器性能总结见表1.负载电流变化时输出电压响应3结论由于LDO结构具有很高的稳压性能以及足够的负载能力,因此该结构经常被用来作为RFID的稳压电路。本文提出了一种适用于无源RFIDLDO结构的改进方案,其中重点提出了一种新的基准电压源的设计方案,利用MOS管迁移率"P,"和VbE随温度的变化关系,产生了随温度变化较小的基准电压源,并利用输出电压为基准电压源电路供电,基准电压源产生的基准电压又产生稳定的VDD输出电压的闭环原理,使得输出电压受初始电压影响很小。本文设计的LDO电路结构具有较宽的电压输入范围(3.49V),低的总静态电流(5.79yA),低的电压调整率(0.099mV/V),大的负载电流(11.5mA),而RFID天线感应到的最大峰值电流约为3mA,标签芯片的数字部分的最大消耗电流约为500yA,且除了温度系数低于传统的LDO结构外(传统典型值约为20ppm/C),其它各指标都优于传统LDO结构,特别是在无源RFID比较关心的静态功耗方面更是有很大的优势,因此更适用于RFID的稳压器电路,其版图如所示。

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