适用于EEPROM 的宽工作条件LDO 设计

周旺，李一男，陈风凉，沈鑫，王留所

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214035）

1 引言

电可擦只读存储器（EEPROM）是一种电可擦除可编程非易失存储器，可以通过输入电信号反复擦写，随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit 写入0 或1，数据操作更自由，掉电后数据不丢失[1]，与CMOS 工艺相兼容，广泛应用于各类芯片设计[2]。

在实际应用中，EEPROM 往往被用于系统启动时的配置信息加载。此时系统电源不稳定，EEPROM 需要应对较宽的电源电压浮动范围，这就需要一款在宽电源电压范围下能够稳定为电路供电的低压差线性稳压器（LDO）电路。

LDO 电路主要由电压基准、运放和输出管构成[3-6]。本文给出了一款适用于EEPROM 的LDO 设计，在输入电压为2.3～5.7 V、工作温度为-60～135 ℃时可获得稳定的1.8 V 输出电压，提供EEPROM 单元读取操作所需的栅电压。

2 电路设计

图1 本文设计的LDO 结构

2.1 带隙基准电路设计

带隙基准电路如图2 所示，由偏置电路、灵敏放大器、正温度系数电路、负温度系数电路构成。

图2 带隙基准电路

偏置电路以电流镜形式提供其他模块所需电流偏置。M16 等开关管在模块关闭状态下约束电路中关键信号至电源或地，防止电路进入非预期亚稳态，兼作启动电路。

灵敏放大器采用经典二级运放结构，提供高增益信号vfb，稳定正温度系数电压产生电路中的运算端电压信号vn 和vp。

零温度系数电压由正、负温度系数电压线性加权组合后获得。器件M30、M32、M0 为电流镜结构，合理选取MOS 工作点后，可控制这3 支电流使它们相等。前述运放模块使电路中vn 和vp 节点虚短，约束此处电压差为

其中m 为载流子迁移率对温度的指数，Eg为硅的禁带宽度。在室温下，取T=300 K，m=-3/2，Vr=0.025 9 V，Eg/q=1.12 V，设计中选取VBE-Q2=0.76 V，式（4）的计算结果约为-1.5 mV/K。故VBE-Q2为负温度系数电压。bgref端口输出电压为

调整R2/R1的值，使输出电压为零温度系数电压，即

(R2/R1)ln N≈17.3。通过仿真获得不同N 下的晶体管特性及对应工作电流，取N=8，则R2/R1=25/3。在此工作条件下，零温度系数电压Vbgref=1.197 V。TT 工艺角下模块总电流约为50 μA，满足设计要求。

2.2 稳压驱动电路设计

稳压驱动电路如图3 所示，由误差放大器和分压模块组成。前述带隙基准电路提供此处输入inn，作为尾电流偏置及电压参考。第一级电流镜由inn产生4.8 μA 电流，后由第二级电流镜复制为36 μA供运放工作。运放输出端F3 控制驱动管M1，以负反馈稳定输出电压信号out 至参考电压信号inn 的比例（此处由inn 的1.2 V 提升至out 的1.8 V）。图3 中电容C2、电阻R2 提供频率补偿，增强该模块环路稳定性。

图3 稳压驱动电路

3 版图设计

图4 为LDO 整体版图，版图在设计时对vfb、F3等小负载关键信号线添加屏蔽层，屏蔽层与关键信号线使用同层金属以确保屏蔽效果达到最佳；对各电流镜组中匹配MOS 按照同向、同流规则进行布局设计，并添加Dummy；由于带隙电路要求三极管工作于同一状态，版图对三极管采用相同布局的方式，并在外围设计两层反向衬底环，提高器件匹配度，确保在光刻及刻蚀过程中有效的三极管能完全满足设计要求。

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图4 整体版图

模块总尺寸为480 μm×100 μm。提取寄生参数后，该版图的后仿真结果与前仿真结果吻合良好，性能满足需求。

4 仿真验证

仿真条件：电源电压为2.3～5.7V，温度为-60～135 ℃，工艺角为国内 0.18 μm 商用全工艺角（TT/FF/SS/FNSP/SNFP）。

4.1 Bandgap 温度特性

Bandgap 温度特性如图5 所示，在-60～135 ℃，电源电压为2.3 V、3.3 V、5.7 V，全工艺角条件下，Bandgap 输出电压为1.197 V±6 mV，温漂系数小于5.1×10-5℃-1。图5 仅显示极限条件下的仿真结果。

图5 Bandgap 温度特性

4.2 电源特性

LDO 电源特性如图6 所示，在电源电压为2.3～5.7 V、全工艺角，温度为-60 ℃、25 ℃、135 ℃条件下，LDO 输出电压为1.808 V±10 mV，满足设计要求。图6 仅显示极限条件下的仿真结果。

图6 LDO 电源特性

4.3 电源抑制比

电源抑制比如图7 所示，在温度为-60 ℃、25 ℃、135 ℃，电源电压为2.3 V、3.3 V、5.7 V，全工艺角条件下，电源纹波频率低于100 kHz 时，输出对电源的响应低于-25 dB，即电源抑制比高于25 dB。在TT 工艺角下，电源纹波频率低于10 kHz 时，电源抑制比高于50 dB。电路性能满足设计需求。图7 仅显示极限条件下的仿真结果。

图7 电源抑制比

4.4 建立时间

带隙基准建立时间、稳压驱动电路建立时间如图8、9 所示，在温度为-60 ℃、25 ℃、135 ℃，电源电压为2.3 V、3.3 V、5.7 V，全工艺角条件下，带隙基准及稳压驱动电路建立时间均不超过500 ns，整体建立时间小于1 μs，具有高启动速度的特性，满足设计要求。图8、9 仅显示极限条件下的仿真结果。

图8 带隙基准建立时间

图9 稳压驱动电路建立时间

4.5 功耗

LDO 工作电流曲线如图10 所示，在温度为-60 ℃、25 ℃、135 ℃，电源电压为2.3 V、3.3 V、5.7 V，全工艺角条件下，最大工作电流不超过280 μA，即功率不超过1.60 mW；TT 工艺角、常温条件下工作电流不超过190 μA，即功率不超过1.08 mW。电路具有低功耗的特性，满足设计要求。图10 仅显示极限条件下的仿真结果。

图10 LDO 工作电流曲线

4.6 环路稳定性

LDO 环路稳定性如图11、12 所示，在温度为-60 ℃、25 ℃、135 ℃，电源电压为2.3 V、3.3 V、5.7 V，全工艺角条件下，0 dB 环路增益、相位裕度均在60°以上，环路稳定性良好。图11、12 仅显示极限条件下的仿真结果。

图11 环路增益曲线

图12 相位裕度曲线

5 结论

本文设计了一种LDO 稳压电路，采用国内0.18 μm商用工艺，仿真结果表明，在输入电压为2.3～5.7 V，工作温度为-60～135 ℃时，该电路可获得稳定的1.8 V 输出电压，且具有小于5.1×10-5℃-1的温漂系数、重载下高于50 dB 的电源抑制比和60°以上的相位裕度。该LDO 电路具有较好的稳定性，可为0.18 μm 商用工艺下的其他EEPROM 芯片的低压供电设计提供参考。本文设计的LDO 电路也具有一定的局限性，由于工艺文件的不完整，该电路在高频（超过108Hz）情况下仿真结果会出现失真现象，无法完整体现电路实际特性。