湖南大學學報（自然科學版）一種適用于無源RFID的低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器設計+陳迪平1C，高雪杰1，曾建平1，陳弈星2（1.湖南大學物理與微電子科學學院，湖南長沙410082；2.長沙麓湖微電子技術有限公司，湖南長沙410082）提出了一種新的基準電壓源電路和一種利用輸出電壓為基準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?；贑SMC0. 5模型庫對其進行了仿真，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對象電子標簽并獲取相關數(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簽，操作快捷方便，因而有廣泛的應用。RFID可分為有源和無源電子標簽，其中無源電子標簽自身不帶電源，工作時需要從讀寫器周圍的電磁場獲得能量。無源供電技術是無源電子標簽芯片的關鍵技術之，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標簽芯片的LDO（1owdropout）線性穩(wěn)壓器電路的設計，利用MOS管遷移率"和隨溫度的變化關系，設計了一種新的基準電壓源電路，并提出一種利用輸出電壓為基準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，湖南大學教授1種低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓電路設計bookmark2 1.1基準電壓源設計為了減小模擬電路和數(shù)字電路之間的相互影響，標簽芯片中穩(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?？紤]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)由基準電壓產(chǎn)生模塊、誤差放大器模塊、分壓網(wǎng)絡、傳輸元件4部分組成。

　　而基準電路是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。目前常見的基準電壓源采用的是帶隙基準電壓源，如所示為常見的帶隙基準電壓源的電路結(jié)構(gòu)。帶隙基準源具有電壓輸出穩(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，基于進一步降低靜態(tài)電流的目的，本文設計的一種基準電壓源如所示。

　　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）對了求導可得：上0知，右式第一項具有負溫度系數(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電壓源。

　　相對于帶隙基準電壓源電路，本文所設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。當流過MP15中的電流達到一定值時，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?，MN9的柵極電壓跳變?yōu)榈碗娖?。因此基準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正常輸出后為基準電壓源電路提供電源，而基準電壓源產(chǎn)生的基準電壓又產(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VHD在大的范圍內(nèi)變化時對基準電壓源的影響，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，當溫度從一45C變化到85C時，基準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比較大負載電流/mA115PSRR/dB-73.看出：當初始電壓從3.5V變化到9V時，輸出電壓18V.為負載電流突然變化時，輸出電壓的瞬態(tài)響應。從圖中可以看出當負載電流在5ys內(nèi)從5yA變化到3mA時，輸出電壓變化約90mV，并且很快恢復穩(wěn)定輸出。

　　為負載電流從0變化到3mA時輸出電壓的變化曲線，本文設計的LDO穩(wěn)壓器性能總結(jié)見表1.負載電流變化時輸出電壓響應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)的改進方案，其中重點提出了一種新的基準電壓源的設計方案，利用MOS管遷移率"P，"和VbE隨溫度的變化關系，產(chǎn)生了隨溫度變化較小的基準電壓源，并利用輸出電壓為基準電壓源電路供電，基準電壓源產(chǎn)生的基準電壓又產(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），大的負載電流（11.5mA），而RFID天線感應到的比較大峰值電流約為3mA，標簽芯片的數(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），其它各指標都優(yōu)于傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)，特別是在無源RFID比較關心的靜態(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。