应用于传感器标签的线性稳压器设计

摘要

近年来，电子标签与传感器的结合成为射频识别(RFID)技术的研究热点之一。传感器标签前端中的模拟模块主要包含带隙基准、电源管理和上下电复位电路(POR)模块。其中低压差线性稳压器(LDO)结构简单、面积小、功耗低，适合作为传感器标签芯片中电源管理模块，为电子标签和传感器供电。设计此类线性稳压器需要满足宽范围低电源电压、低功耗条件下工作，因为无源标签的能量会随着读写距离的变化而变化，此外需要优化LDO的电源电压抑制(PSR)能力以及环路稳定性。
　　本文从低压低功耗的方向对传感器前端中的模拟模块进行了研究，设计了一款符合传感器电子标签应用的LDO。文中重点设计了其中的Sub-1-V带隙基准(Bandgap)模块，LDO模块。针对应用需求设计了POR模块。
　　本文以应用背景为切入点，研究分析了传感器标签前端中的模拟电路设计难点，并制订了可行的设计指标(SPEC)。其次介绍了LDO、Bandgap、POR电路工作原理，并针对每个模块的设计指标做优化设计，得到了最终的折衷方案。本文通过改进低压运放(OTA)电路结构，从而满足了超低压带隙基准的电路设计。在0.13um标准CMOS工艺条件下，带隙基准的工作电压范围在全工艺角下是0.75V-1.6V，输出参考电压为600mV，低频处的PSR约为64.5dB，在13.56MHz处的PSR约为60dB，静态电流为2.5uA;文中设计的LDO（不包含Bandgap）的静态功耗约为2.5uA，低频处的PSR约为55dB，13.56MHz处PSR为60dB。POR复位延迟时间约为50us，静态功耗小于200nA。文中的设计是借助cadence的spectre仿真器仿真，仿真结果表明符合设计预期，电路最终通过版图后仿。

目录

图目录

表目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 传感器电子标签应用背景

1．1．2 线性稳压器的应用背景

1．2 论文研究的内容和贡献

1．3 本文组织结构

第二章 低压低功耗模拟前端综述

2．1 传感器电子标签基本概念

2．1．1 电子标签定义

2．1．2 高频电子标签架构以及工作原理

2．1．3 传感器电子标签应用现状

2．2 Sub-1-V带隙基准研究与分析

2．2．1 带隙基准电路工作原理

2．2．2 带隙基准基本参数指标

2．2．3 Sub-1-V带隙基准发展趋势

2．3 低压低功耗LDO研究与分析

2．3．1 LDO的基本架构和工作原理

2．3．2 LDO的基本参数指标

2．3．3 传感器标签中LDO的发展趋势

2．4 POR电路

2．5 本章小结

第三章 需求分析

3．1 Sub-1-V带隙基准源的参数设计

3．1．1 最低工作电压

3．1．2 带隙基准的运放电路

3．2 低压低功耗LDO的需求分析

3．2．1 功率级

3．2．2 误差放大器

3．2．3 频率补偿

3．2．4 LDO的PSR

3．3 本章小结

第四章 电路设计

4．1 Sub-1-V带隙基准源

4．1．1 Sub-1-V带隙基准

4．1．2 带隙基准的PSR提高方案

4．1．3 基准电流电路

4．2 低压低功耗LDO

4．2．1 功率级设计

4．2．2 误差放大器设计

4．2．3 LDO的PSR的设计

4．3 POR设计

4．4 本章小结

第五章 电路仿真及版图设计

5．1 带隙基准电路的仿真结果

5．1．1 仿真环境

5．1．2 瞬态仿真以及直流仿真

5．1．3 交流仿真

5．2 LDO的仿真结果

5．2．1 仿真环境设计

5．2．2 静态直流仿真

5．2．3 瞬态仿真

5．2．4 PSR的仿真

5．3 POR的仿真结果

5．4 版图设计

5．4．1 晶体管版图设计

5．4．2 电阻、BJT的版图设计

5．4．3 总体版图设计

5．5．本章小结

第六章 总结和展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

致谢

参考文献

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