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經驗分享——我把LDO做成了OSC

芯片設計之路 ? 來源:芯片設計之路 ? 作者:Alex Hwan XU ? 2022-12-21 09:27 ? 次閱讀

01—背景

某個多功能芯片Spec要求是使用+/-5V供電,而內部部分單元需要用到一些特殊電壓的供電,因此需要設計一個LDO,由于是GaAs pHEMT工藝,只有N-Channel型晶體管,再加之作者主要設計MMIC,本來也沒有什么電源的理論基礎,所以設計不了結構很復雜的LDO。第一版時,僅僅使用了電阻分壓+源極跟隨器的方式,非常簡單,測試功能也是正常的。

93dd5f12-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

但是擔心容易受高低溫、工藝波動等因素影響,所以第二版時,就異想天開地改了個結構,增加了負反饋,自以為能改善電源性能:

9402e908-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

電源一共有三路,其中+5V生成了一路+1V/5mA輸出,-5V生成了一路-4V/15mA和一路-3V/5mA輸出。完整的原理圖如下圖所示,排列是從上到下依次+5V,GND,-5V,打叉的是濾波電容(實際上沒有加):

94377f6a-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

02—問題

測試件單獨加-5V時,電壓電流都在正常范圍內,單加+5V時,電流1~2mA,好像也沒啥問題。如果同時加上±5V,雖然電流也在正常范圍內,但如果用萬用表筆測GND和-3V網絡,會發現電壓劇烈波動,同時-5V的供電電流也在8~18mA范圍內波動。

945b2b4a-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

(左)+5V/2mA(中)-5V10mA(右)無關

開始以為是萬用表表筆引入了外界干擾,直到后來用示波器看到了+5V/GND/+1V的網絡上存在明顯的振蕩波形!例如下圖是某一次在測試件的GND上看到的波形,大概有150mVpp@24.7MHz:

94ea07f2-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

經過反復測試確認,外接電源用的導線不同方式擺放或纏繞時,振蕩幅度或者頻率會變化,由于測試板做得很粗糙,僅僅是將所有IO PAD鍵合到PCB上,外圍完全沒有放置任何電源濾波電容,所以懷疑與此相關,于是給PCB上的±5V對地分別添加了一個10uF的電解電容,振蕩消失。

03—分析

事后,開始在網上瘋狂搜索LDO穩定性相關的文章,找教程學習環路穩定性相關的仿真,在ADS中使用AC仿真,在反饋路徑中注入擾動信號,掃頻分析得到環路的增益和相位特性,即Bode圖

951b5668-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

上圖中的元件參數和下面的仿真結果都是通過仿真嘗試得到的,使結果與實際情況接近。其中電感是模擬的外接電纜、PCB走線、鍵合線在內的寄生電感。

對數掃頻時的Bode圖如下,增益0dB、相位0(180)deg剛好在25.7MHz附近:

9543e862-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

如果通過Bode圖看增益和相位還不是很直觀,那么下面這個輸出電壓隨掃頻信號的變化就非常明顯了:25.7MHz振蕩了。

956efb92-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

下面兩張圖與上面基本一致,只是將頻率由對數坐標軸改為線性坐標軸,便于觀察幾十MHz附近的變化:

95933b38-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

去掉環路仿真的掃頻信號,直接進行Transient仿真,可以看到振蕩波形及其頻譜分布:

967f2a3e-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

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在Virtuoso環境中搭建testbench,在輸出晶體管的柵極上插入了一個電流探頭IPRB0:

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使用ADE中的STB仿真計算環路的頻率響應,它可以自動判斷穿越頻率、增益裕度和相位裕度。

9713a9c0-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

由于Virtuoso的PDK是沒有仿真用的電路模型,這里的模型是我大致參考原ADS PDK的晶體管參數自定義的VerilogA模型,但是也能得到相似的仿真結果。下圖是無+5V電源濾波電容時的閉環特性,顯然28MHz附近發生了振蕩:

973901ca-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

電源輸入增加濾波電容后:

9753f034-8067-11ed-8abf-dac502259ad0.png

04—結論

結論就是吃了沒有電源基礎知識的虧,LDO還是有非常深的門道的,業余選手要謹慎踩坑……

這里有一個值得思考的問題就是:如果你當前的設計不完美但能工作正常,你是否會考慮一個未知的改進方案?

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:經驗分享——我把LDO做成了OSC

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