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基于華宏0.35μm BCD工藝，設(shè)計(jì)了一種可以source（輸出）和sink（吸入）電流的低壓DDR（Double Data Rate）終端調(diào)整器芯片。該芯片支持2.5V輸入電壓軌和3.3V輸入電壓軌。該芯片功率電源電壓范圍1.1~3.5V，并且具備低噪聲、低功耗、快速響應(yīng)的特性,可以滿足DDR、DDR2、DDR3、DDR3L、DDR4 的VTT總線電壓要求。

 

DDR存儲(chǔ)器中文名稱為“雙倍數(shù)據(jù)率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”，是在同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SDRAM）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與單數(shù)據(jù)速率相比，DDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行兩次讀/寫操作，即在時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別執(zhí)行一次讀/寫操作。由于DDR具有出眾的性能、較低的功耗以及更具競爭力的成本，目前已普遍應(yīng)用在電腦和手機(jī)的內(nèi)存當(dāng)中。DDR存儲(chǔ)器不斷更新?lián)Q代，數(shù)據(jù)速率逐漸提高，容量逐漸增加，工作電壓逐漸降低，需要更加先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)提供支持。

 

由于DDR是一種雙向數(shù)據(jù)傳輸模式的內(nèi)存，其“雙向數(shù)據(jù)傳輸”特性要求供電系統(tǒng)提供既可輸出驅(qū)動(dòng)也可吸入電流的能力，因此兼?zhèn)銼ink/Source電流能力的終端調(diào)整器成為首選。同時(shí)，DDR的輸入電源要以低阻抗連接到穩(wěn)壓器輸出上，隨著時(shí)鐘頻率升高、電源電壓降低以及負(fù)載電流增大，為避免總線上負(fù)載改變引起該輸入電源電壓變化，需要調(diào)整器具有大電流輸出能力和良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。

 

本文介紹了一種可同時(shí)用作DDR、DDR2、DDR3、DDR3L、DDR4存儲(chǔ)器總線電壓的低壓終端調(diào)整器芯片設(shè)計(jì)，可以為DDR存儲(chǔ)器提供一套完整的低功耗解決方案。該電路可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，僅僅只需20μF輸出電容。輸入電壓（VIN）支持2.5V和3.3V電源軌，獨(dú)立功率電源（VLDOIN）最低達(dá)到0.9V，提升電源效率。當(dāng)輸出電壓建立時(shí)，該芯片可以產(chǎn)生一個(gè)高阻抗的PGOOD（輸出電壓檢測）信號(hào)?？蓪?shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定總線電壓VTT（0.5V~1.8V），并可以實(shí)現(xiàn)source和sink電流3A以上，靜態(tài)電流僅800μA。

 

電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的DDR終端調(diào)架構(gòu)如圖1所示，主要包含輸入緩沖器、跨導(dǎo)放大器、高低邊電流放大器、高低邊功率管、輸出檢測電路以及過流、過溫、欠壓保護(hù)單元。工作原理如下：基準(zhǔn)輸入REFIN經(jīng)過緩沖器單元，產(chǎn)生緩沖參考輸出電壓REFOUT，REFOUT端口也可提供±10mA灌電流/拉電流，REFOUT電壓經(jīng)過輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，驅(qū)動(dòng)高低邊功率管，產(chǎn)生DDR總線電壓VTT，并可以提供source和sink電流，電流值為±3A。

 

圖1  DDR終端調(diào)整器架構(gòu)圖

 

圖1中跨導(dǎo)輸入級(jí)檢測基準(zhǔn)輸出電壓REFOUT和輸出電壓VTT，將兩者的差分電壓轉(zhuǎn)換成差分電流ID輸出到后級(jí)的電流放大器，電流放大器由多級(jí)電流鏡構(gòu)成，通過電流鏡的鏡像與放大后，通過高/邊功率管產(chǎn)生ISINK/ISOURCE輸出調(diào)整電流。

 

由于跨導(dǎo)運(yùn)放內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均為低阻抗節(jié)點(diǎn)，整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)為單極點(diǎn)系統(tǒng)，主極點(diǎn)位于輸出端，其大小為輸出功率管的跨導(dǎo)與負(fù)載電容的比值，除主極點(diǎn)外所有極點(diǎn)均位于高頻，環(huán)路單位增益帶寬為GM/COUT，其中GM為電路的跨導(dǎo)，COUT為負(fù)載電容，環(huán)路的單位增益帶寬可以設(shè)計(jì)的很高，并且可以根據(jù)應(yīng)用通過外圍負(fù)載電容進(jìn)行調(diào)整，保證了瞬態(tài)響應(yīng)能力。

 

01.緩沖器電路

緩沖器電路如圖2所示，采用折疊低壓cascode輸入級(jí)，推挽輸出級(jí)，密勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)2.375V~3.5V工作電壓下，輸出±10mA電流。緩沖器輸入信號(hào)為基準(zhǔn)輸入REFIN，通過單位增益的反饋連接輸出緩沖參考輸出電壓REFOUT。由于緩沖器采用了兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，增益很高，可以保證REFOUT的電壓精度在±1%以內(nèi)。

 

圖2 低壓緩沖器電路

 

其中R2、Q2和R1、Q1分別為sink/source過流保護(hù)電路，當(dāng)source電流超過過流保護(hù)限時(shí)，R2上的壓降增大，Q2管開啟，對(duì)PM1管的柵極電壓進(jìn)行鉗位，達(dá)到限流效果。同理，sink電流超過過流保護(hù)限時(shí)，Q1對(duì)NM1的柵極電壓進(jìn)行鉗位，達(dá)到限流效果。則緩緩器電路的sink和source電流限流值為：

 

 

緩沖器電流限sink和source電流限仿真圖如圖3和圖4所示。仿真顯示，sink和source電流限均在24mA左右，滿足系統(tǒng)±10mA要求。

試件應(yīng)在試驗(yàn)前、試驗(yàn)后功能完好且所有參數(shù)符合規(guī)范要求。應(yīng)通過持續(xù)參數(shù)監(jiān)測和參數(shù)測試（?。?，在室溫和工作電壓條件下試樣無瑕疵功能的關(guān)鍵參數(shù)測試）進(jìn)行驗(yàn)證。

 

 

圖3(左) sink電流限仿真圖；圖4(右) source電流限仿真圖

 

02.輸出誤差放大器電器

輸出誤差放大器上邊功率管和下邊功率管產(chǎn)生source和sink電流，并穩(wěn)定環(huán)路，產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。主要分為跨導(dǎo)輸入、高邊電流放大和低邊電流放大三部分。如圖5所示。

 

圖5 輸出誤差放大器線路圖

 

運(yùn)放的增益由各個(gè)跨導(dǎo)級(jí)產(chǎn)生，M1管的偏置電流為3Ib，M3、M4管電流為3/2Ib，M5、M6的偏置電流設(shè)定為1/2Ib，則Q1、Q2管的偏置電流為Ib。

 

當(dāng)VTT電位低于REFOUT時(shí)，Q1管電流為Ib+i，Q2管電流為Ib-i，則Q5、Q6管電流分別為1/2Ib+i和1/2Ib-i，M7管電流為Q1、Q2管鏡像的電流和為2Ib，并鏡像到M8、M9管。Q1管和Q2管電流鏡像到Q3管和Q4管，電流為Ib+2i和Ib-2i。Q3管與M8管的電流差值2i通過M10、M12、M17、M20、M18、M22、M24管組成的電流鏡鏡像到source端功率管輸出對(duì)VTT端充電。Q4管與M9管的電流差值-2i，關(guān)斷了后面的電流鏡，從而關(guān)斷sink功率管。

 

當(dāng)VTT電位高于VTTREF時(shí)，情況相反，Q1管電流為Ib-i，Q2管電流為Ib＋i，M7管電流為Q1、Q2管鏡像的電流和為2Ib，并鏡像到M8、M9管。Q1管和Q2管電流鏡像到Q3管和Q4管，電流為Ib-2i和Ib+2i。Q4管與M9管的電流差值2i通過M11、M13、M16、M19、M21、M23管組成的電流鏡鏡像到sink端功率管輸出對(duì)VTT端放電，source功率管關(guān)斷。

 

M14與M15管引入1/2Ib電流以保證當(dāng)M12管與M13管的電流小于1/2Ib時(shí)，source端與sink端功率管全部關(guān)斷，防止VTT電位與VTTREF電位接近時(shí)source端與sink端功率管同時(shí)導(dǎo)通，因此正常工作時(shí)VTT與VTTREF之間存在失調(diào)電壓，失調(diào)電壓的大小為：

 

 

其中k為M10管與M12管寬長比，gm3為輸入級(jí)M3管的跨導(dǎo)。由于運(yùn)放由跨導(dǎo)級(jí)組成，因此運(yùn)放內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均為低阻抗節(jié)點(diǎn)，反饋環(huán)路呈單極點(diǎn)系統(tǒng)，主極點(diǎn)位于調(diào)整器輸出端。

 

03.上下邊功率管電路

本文設(shè)計(jì)上下邊功率管如圖6所示，M40和M41為上邊功率管，可以提供3A source電流。M42和M43為下邊功率管，提供3A sink電流。

 

 

圖6 上下邊功率管電路

 

當(dāng)M40、M41輸出電流時(shí)，受輸出級(jí)誤差放大器控制，M42和M43處于關(guān)斷狀態(tài)。同理，當(dāng)M42和M43吸入電流時(shí)，M40和M41處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)空載時(shí)，由于誤差放大器引入的失調(diào)，M40、M41、M42、M43全部關(guān)斷。確保功率管共態(tài)導(dǎo)通電流為零。

 

仿真結(jié)果與版圖設(shè)計(jì)

 

采用華宏0.35μmBCD工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低壓DDR終端調(diào)整器，電源電壓范圍2.375~3.5V、輸出電壓VTT范圍可以提供±3A的source和sink電流以及實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的功能。

 

DDR調(diào)整器的輸出電流瞬態(tài)仿真圖如圖7所示。REFIN電壓為1.25V。因此VTT輸出電壓為1.25V。仿真可以看出，輸出電流±3A，1.25V輸出電壓條件下，輸出容差不超過±20mV，滿足系統(tǒng)±34mV容差要求。并且具備快速響應(yīng)的能力。

圖7 輸出電壓瞬態(tài)仿真圖

表1為不同電源電壓、功率電壓下對(duì)應(yīng)的輸出總線電壓VTT、REFOUT電壓精度以及VTT電流限的仿真結(jié)果。以及可以滿足的DDR種類。從仿真結(jié)果可以看出，電路在3.3V電壓軌和2.5V電壓軌下，產(chǎn)生總線電壓VTT值、緩沖參考輸出REFOUT精度、sink/source電流限，可以滿足DDR1、DDR2、DDR3、DDR3L、DDR4終端調(diào)整器的電壓電流需求。

表1 仿真結(jié)果

 

本文設(shè)計(jì)的低壓DDR終端調(diào)整器芯片版圖如圖9所示。在調(diào)整器的版圖設(shè)計(jì)中，首先要注意功率管電流均勻性，需要多層金屬布線。功率管采用雙環(huán)設(shè)計(jì)，減小閂鎖發(fā)生條件。同時(shí)基準(zhǔn)電源、基準(zhǔn)的地線直接連接到電源和地的PAD上，減少其他模塊的干擾。

 

圖9  低壓DDR終端調(diào)整器芯片版圖

 

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種一種可以source和sink電流的低壓DDR終端調(diào)整器芯片。隨后詳細(xì)給出了DDR終端調(diào)整器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖器電路設(shè)計(jì)、輸出誤差放大器設(shè)計(jì)以及上下邊功率管設(shè)計(jì)的原理圖。本電路采用華宏0.35μm BCD工藝制作。仿真結(jié)果表明，在2.5V和3.3V電源軌下，可以實(shí)現(xiàn)輸出VTT總線電壓范圍0.6V~1.25V，緩沖參考輸出REFOUT精度在±0.1%， source和sink電流可以達(dá)到3A以上，可以滿足DDR1、DDR2、DDR3、DDR3L、DDR4對(duì)終端調(diào)整器的電壓和電流需求。