GNSS接收机射频芯片中LDO的设计_苟锦航.pdf

第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11，No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.，2023 引文格式：苟锦航，黄海生，李鑫，等.GNSS 接收机射频芯片中 LDO 的设计J.导航定位学报,2023,11(1):95-101.(GOU Jinhang,HUANG Haisheng,LI Xin,et al.Design of LDO in RF chips of GNSS receiversJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):95-101.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230114.GNSS 接收机射频芯片中 LDO 的设计 苟锦航，黄海生，李鑫，叶小艳（西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121）摘要：为了降低全球卫星导航系统（GNSS）接收机中射频前端芯片电源噪声对本振信号频率干扰的影响，提出一种快速瞬态响应、高稳定性全片内低压差线性稳压器（LDO）：通过动态偏置缓冲器的阻抗衰减技术以及米勒补偿技术，对LDO 进行动态的主极点跟踪；在整个负载电流范围内，次极点推离单位增益带宽外，保证系统的稳定性；同时动态偏置缓冲器随负载电流变化为功率管栅极充放电，以实现 LDO 的快速瞬态响应。该电路用于 GNSS 接收机中频率综合器（FS），基于中国台湾积体电路制造公司的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺完成电路设计，电路输出电压为 2.5 V，最大负载电流为 310-1 A。仿真结果表明：该 LDO 在输出电容为 0 到 210-10 F 的范围内均能稳定，最小相位裕度为 60.2；当负载电流以 310-1 A/510-7 s 跳变时，输出电压下冲 6.510-2 V、上冲 8.310-2 V，平均响应时间 5.310-7 s；线性调整率为 510-5 V，负载调整率为 910-6 V，电源抑制比在 1103 Hz 下为-77.8 dB。关键词：全球卫星导航系统（GNSS）；低压差线性稳压器（LDO）；米勒补偿；极点追踪；快速瞬态响应；无片外电容 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)01-0095-07 Design of LDO in RF chips of GNSS receivers GOU Jinhang,HUANG Haisheng,LI Xin,YE Xiaoyan（School of Electronic Engineering,Xian University of Post and Telecommunication,Xian 710121,China）Abstract：In order to eliminate the influence of radio frequency(RF)front-end chip power supply noise on local oscillator signal frequency interference in global navigation satellite system(GNSS)receiver,the paper proposed a fast transient response and high-stability full chip low dropout regulator(LDO):through the impedance attenuation technology of the dynamic bias buffer and the Miller compensation technology,the LDO was dynamically tracked by the main pole;in the entire load current range,the secondary pole was pushed out of the unity gain bandwidth to ensure the stability of the system;at the same time,the gate of the power tube was charged and discharged by the dynamic bias buffer with the change of the load current,so as to realize the fast transient response of the LDO.This circuit was used in the frequency synthesizers(FS)of GNSS receivers.The circuit design was completed based on the technology of the complementary metal oxide semiconductor(CMOS)of China Taiwan Integrated Circuit Manufacturing Company.The output voltage of the circuit was 2.5 V and the maximum load current was 310-1 A.Simulational results showed that:the LDO would be stable in the range of output capacitance from 0 to 210-10 F,and the minimum phase margin would be 60.2;when the load current jumped at 310-1 A/510-7 s,the output voltage would undershoot 6.510-2 V and overshoot 8.310-2 V,with average response time 5.310-7 s;and the line regulation would be 510-5 V,the load regulation 910-6 V,power supply rejection ratio-77.8 dB at 1103 HzV Keywords:global navigation satellite system(GNSS);low dropout regulator(LDO);Miller compensation;pole tracking;fast transient response;non-chip capacitance 收稿日期：2022-05-11 资金项目：陕西省重点研发计划项目（2022GY-011）。第一作者简介：苟锦航（1997），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计。通信作者简介：黄海生（1964），男，陕西榆林人，硕士，教授，研究方向为专用集成电路设计与系统研究。96 导航定位学报 2023 年 2 月 0 引言 全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）射频前端芯片包括滤波器、低噪声放大器、频率综合器、混频器、可变增益放大器和数模转换器等模块1-2。射频信号经前置滤波放大后，与频率综合器产生的正弦波本振信号混频而下变频为中频信号，经过增益放大器后数模转换器将中频信号转变为离散时间的数字中频信号输送给基带电路3。其中频率综合器中的压控振荡器（voltage controlled oscillator，VCO）对电源噪声极其敏感，电源噪声将在混频过程中被下变频，严重影响 VCO 的相位噪声；而低压差线性稳压器（low dropout regulator，LDO）作为单独的电源系统为频率综合器供电，可有效提升 VCO 的性能4，因 此 一 个 与 电 源 噪 声 无 关 的 本 振 信 号 决 定 着GNSS 接收机系统的准确性和稳定性。高性能的 LDO 由于其具有低噪声、高精度、高稳定性、结构简单且易于集成等特点，被广泛应用于射频芯片或无线射频系统中，为内部各电路模块提供稳定而不受负载影响的电源管理系统。传统的 LDO 通过选择合适的片外电容等效串联电阻值（equivalent series resistance，ESR）来确保多极点系统的稳定性，为了实现片上系统的集成，无片外电容 LDO 成为了当前的主流研究方向，其环路稳定性和负载瞬态性能被认为是设计的首要指标5。文献6采用了经典的嵌套式米勒补偿（nested Miller compensation，NMC）技术保证了210-1 A 系统静态时的稳定性；但当负载突变时，其过冲电压与响应时间较大。文献7在 NMC 技术的基础上，通过大电容环路和摆率增强电路，保证系统稳定性并改善 LDO 的瞬态响应；但其功耗和电路复杂度较高，不适合低功耗系统的应用。针对无片外电容 LDO 的环路稳定性以及瞬态响应差的问题，本文基于米勒补偿8技术提出具有阻抗衰减的缓冲级，通过零极点追踪保证单位增益带宽内只有主极点，同时动态偏置缓冲级额外的环路响应功率管栅极，从而得到一款全片内快速瞬态响应、大带宽、高稳定性的 LDO。1 LDO 电路设计 本文设计的低压差线性稳压器由 4 部分组成，即误差放大器（error amplifier，EA）、缓冲级（buffer）、P 型金属氧化物半导体（p-channel metal-oxide semiconductor,PMOS）功率晶体管以及反馈网络，米勒电容跨接在误差放大器输出端和 LDO输出端形成米勒频率补偿。LDO 属于电压串联负反馈电路，电路结构如图 1 所示。图中：VIN为 LDO输入电压；VOUT为 LDO 输出电压；VFB为 LDO 反馈电压；VBG为带隙基准电压；Mp为功率管；R1和R2为反馈网络；rbuffer为缓冲级等效输出阻抗；Cpar为功率管栅端的寄生电容；Cc为米勒电容；CL为LDO 等效输出电容；RESR为输出电容的寄生电阻；RL为输出端负载；p0、p1和 p2为 LDO 的 3 个极点。通过反馈电压 VFB与基准电压 VBG经过误差放大器比较后调整功率管栅端电压，从而稳定输出电压VOUT。图 1 本文设计的 LDO 结构 与传统二级 LDO 相比，在误差放大器和功率管之间插入缓冲级，使主极点分裂为 2 个极点 p0和 p1；由于米勒效应以及缓冲级的阻抗衰减特性使得全负载电流范围内，主极点移动至更低频处，次极点移动至更高频率处，从而实现了带宽的扩展。LDO 的极点为 0EAoutbufferparout111cLmpprgrCprCprC-=-=-12?（1）式中：rEA为误差放大器的等效输出阻抗；mpg为Mp跨导；rout为LDO等效输出阻抗；CL为LDO等效输出电容。通过Cc以及缓冲级较低的输出阻抗rbuffer，将主极点p0移动至更低频处，次极点p1分裂至远离单位增益带宽的高频率处，从而扩大了带宽且保证了LDO环路的稳定性。1.1 LDO 核心电路 LDO的核心电路如图 2 所示。图中：M0M10 第 1 期 苟锦航，等.GNSS 接收机射频芯片中 LDO 的设计 97 为图 1 中的误差放大器EA，采用PMOS差分输入双端转单端折叠式运算放大器，可有效减少闪烁噪声对LDO输出噪声的影响；M11M19 为图1 中的缓冲级buffer，采用动态偏置的超级源跟随器，利用其阻抗衰减特性降低其输出阻抗rbuffer；图 1 中的反馈网络R1和R2采用二极管连接的晶体管MF1与MF2，这样可以有效节省芯片面积，实现片上集成；Cc跨接在折叠式运放与稳压器输出端，构成米勒频率补偿；Va和Vb1Vb3 为电路提供偏置电压。图 2 LDO 核心电路 传统的源跟