LDO線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、ldo 線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 摘 要 隨著電源管理ic技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能低成本的電源管理芯片越來(lái)越受到用 戶(hù)的青睞。ldo線性穩(wěn)壓器以其低噪聲、高電源抑制比、微功耗和簡(jiǎn)單的外圍電路 結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種直流穩(wěn)壓電路中。為適應(yīng)電源市場(chǎng)發(fā)展的需要，結(jié) 合ldo系統(tǒng)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款低功耗、高穩(wěn)定性ldo線性穩(wěn)壓器。 本文首先簡(jiǎn)要介紹了ldo線性穩(wěn)壓器的工作原理與基本性能指標(biāo)。其次，從瞬 態(tài)、直流、交流三方面對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，闡述ldo穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與各 種參數(shù)的折衷關(guān)系。隨后從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)各子模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從 而確立最終的系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)建立ldo電路的交流小

2、信號(hào)模型，計(jì)算得到系統(tǒng)的環(huán) 路增益并由此推出電路中零極點(diǎn)的分布位置從而獲得研究系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的途徑。 針對(duì)文中采用的兩級(jí)級(jí)聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動(dòng)調(diào)整管柵極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入嵌套式 密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償兩種方法來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。討論了嵌套式密勒補(bǔ) 償中調(diào)零電阻可能存在的位置，確定最合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從而有效地消除了右半平面 零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后分析了各子模塊電路的結(jié)構(gòu)與工作原理，并給出了 ldo系統(tǒng)模塊與整體仿真的結(jié)果與分析。 電路設(shè)計(jì)采用了csmc 0.6um cmos工藝模型，對(duì)ldo穩(wěn)壓器在不同的模型、 輸入電壓、溫度組合下進(jìn)行前仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：電路不帶負(fù)載的靜態(tài)電流為 1.7

3、9 ua，系統(tǒng)帶寬幾乎不隨負(fù)載變化，在輸出電流范圍內(nèi)能保證較好的穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：線性穩(wěn)壓器，低壓差，嵌套式密勒補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償，低功耗 abstract with rapid development of power ic technology, high performance low cost power management chips become more and more popular. ldo linear regulator is widely used in various kinds of dc regulating voltage circuits, for

4、 the benefits of low noise, high power supply rejection ratio (psrr), micro power loss, and simple peripheral structure etc. in order to meet the needs of power market development, combining with self features of ldo system, this thesis proposes a kind of ldo linear regulator with low power and exce

5、llent stability. firstly, this thesis gives a brief introduction on working principles and basic indicators of ldo regulator. system structure will be deeply discussed in tran, dc, ac three aspects and designing key points along with various parameter trade-off relationships will be expounded subseq

6、uently. then, optimums every sub-module and determines the final system architecture from the angle of low power design. in order to obtain the path to research on stability of ldo system, calculates loop gain and deduces zero-pole distribution by setting up ac small signal models. nested miller com

7、pensation (nmc) and tracking-frequency compensation will be introduced to ensure the stability of ldo topological structure which adopts two stage cascade error amplifier driving pass element directly. discusses probable situation of nulling resistor in nmc circuits, and eliminates effect of right-h

8、alf-plane zero effectively by fixing a best compensation structure. analyzes structure and working principle of every sub-module in detail, simulation results of whole chip will be shown in the end. circuit design is based on csmc 0.6um cmos process and simulation has been completed under different

9、combinations of spice models, supply voltages and operating temperatures. the whole chip cost static current of 1.79ua, bandwidth is almost constant and the system keep excellent stability under whole output current range. keywords：linear regulator low dropout voltage nested miller compensation trac

10、king-frequency compensation low power 目 錄 摘 要.(i) abstract.(ii) 1 緒論緒論 1.1 ldo 線性穩(wěn)壓器的研究意義.(1) 1.2 ldo 線性穩(wěn)壓器的研究目的.(4) 1.3 論文章節(jié)安排.(4) 2 ldo 線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)介線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)介 2.1 ldo 的結(jié)構(gòu)與工作原理.(6) 2.2 ldo 的基本性能指標(biāo).(7) 2.3 ldo 的基本應(yīng)用.(10) 2.4 本章小結(jié).(12) 3 ldo 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮 3.1 ldo 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究.(13) 3.2 ldo 系統(tǒng)電路的直流研究.(16) 3.3 ldo 系

11、統(tǒng)電路的交流研究.(17) 3.4 ldo 子模塊的設(shè)計(jì)考慮.(19) 3.5 本章小結(jié).(25) 4 ldo 穩(wěn)定性研究與補(bǔ)償方式的確定 4.1 ldo 環(huán)路增益的建模.(27) 4.2 傳統(tǒng) esr 電阻補(bǔ)償.(29) 4.3 ldo 補(bǔ)償方式的優(yōu)化.(34) 4.4 本章小結(jié).(43) 5 模塊電路的實(shí)現(xiàn)與仿真 5.1 基準(zhǔn)與偏置電路的設(shè)計(jì).(44) 5.2 恒定限流電路的設(shè)計(jì).(47) 5.3 foldback 電路的設(shè)計(jì) .(50) 5.4 本章小結(jié).(54) 6 ldo 整體電路仿真與分析 6.1 瞬態(tài)仿真與分析.(55) 6.2 直流仿真與分析.(56) 6.3 交流仿真與分析.

12、(58) 6.4 本章小結(jié).(59) 7 全文總結(jié).(61) 致 謝.(63) 參考文獻(xiàn).(64) 1 緒緒 論論 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提高及便攜式電子產(chǎn)品的普及促使電源管理ic有了長(zhǎng)足的發(fā) 展。ldo(low-drop-out)線性穩(wěn)壓器作為較早應(yīng)用于電子設(shè)備中的一種電源管理電路， 以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用芯片面積小、高紋波抑制比、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，牢固地占據(jù) 著電源管理ic市場(chǎng)的一席之地。本章首先介紹電源管理ic的發(fā)展趨勢(shì)，比較幾種直 流穩(wěn)壓電路的優(yōu)缺點(diǎn)，然后闡述了ldo線性穩(wěn)壓器國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，指出電路低 功耗設(shè)計(jì)的需要，進(jìn)而引出研究ldo電路的意義與目的，最后提出本文的結(jié)構(gòu)與主 要內(nèi)容。 1.

13、1 ldo 線性穩(wěn)壓器的研究意義線性穩(wěn)壓器的研究意義 1.1.1 電源管理 ic 的發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，各種便攜式電子產(chǎn)品的普及與產(chǎn)品功能的豐富，對(duì)電源管理ic提出了 諸如高集成度、高性?xún)r(jià)比、高效率等要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，電源管理 技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前便攜設(shè)備的電源管理技術(shù)正朝著電源管理與系統(tǒng)整合的方 向發(fā)展，主要呈現(xiàn)出以下三大發(fā)展趨勢(shì)： 一是盡可能提高電池功率轉(zhuǎn)換效率。電源管理ic供應(yīng)商目前主要利用先進(jìn)的半 導(dǎo)體工藝，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(ns)采用其“低電壓低功耗cmos工藝” ，來(lái)減小靜態(tài) 電流，提高轉(zhuǎn)換效率。 二是最大限度地提高負(fù)載器件的功率利用效率。過(guò)去電源管理ic供應(yīng)一直將關(guān)

14、 注重點(diǎn)放在管理功率的傳遞上，即如何為不同的負(fù)載器件分配不同的功率。但現(xiàn)在 發(fā)現(xiàn)負(fù)載器件的功率消耗也是一個(gè)充滿潛力可挖的管理課題。比如，負(fù)載器件在不 同工作負(fù)荷下不必一律讓其處于全速運(yùn)行狀態(tài)；再如，負(fù)載器件在待機(jī)和工作狀態(tài) 下不必供應(yīng)同樣的功率。只要管理得好，這也可成為延長(zhǎng)電池工作壽命的一大重要 因素。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的自適應(yīng)電壓調(diào)整(avs)技術(shù)和ti的動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào) 整(dvfs)技術(shù)就是為了滿足這一功率管理挑戰(zhàn)而提出的解決辦法。 三是減小器件的體積，進(jìn)一步提高集成度，并采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，如 csp、llp和micro smd等。 與世界其它地區(qū)相比，中國(guó)的電源管理芯片市場(chǎng)始終保持

15、著快速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 2006年，中國(guó)電源管理芯片銷(xiāo)售額達(dá)到了267億元。隨著全球制造業(yè)進(jìn)一步向中國(guó)的 轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)到2010年，中國(guó)將成為世界上最大的電源芯片需求市場(chǎng)，銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將 達(dá)到735億元人民幣。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，國(guó)內(nèi)電源管理芯片市場(chǎng)主要分布在消費(fèi)電子、 網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制等領(lǐng)域。賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，20062010年中國(guó)電源管理 芯片市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)28.8%，電源管理產(chǎn)品仍將是集成電路產(chǎn)品中最為活躍 的產(chǎn)品之一。未來(lái)幾年，由于以下因素的影響，國(guó)內(nèi)電源管理芯片市場(chǎng)還將繼續(xù)保 持快速發(fā)展的勢(shì)頭：1）半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)境趨好。近年來(lái)，筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)和其 它it產(chǎn)品的生產(chǎn)基地大規(guī)模向中

16、國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)已經(jīng)成為世界it產(chǎn)品的生產(chǎn)基地；加 之“十一五”規(guī)劃已經(jīng)明確要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 未來(lái)有利于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策還將繼續(xù)推出；2）下游制造市場(chǎng)的拉動(dòng)。lcd 顯示器、數(shù)字電視和汽車(chē)電子等產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)，以及中國(guó)3g牌照頒發(fā)與應(yīng)用的推 廣，必將促進(jìn)中國(guó)電源管理芯片市場(chǎng)繼續(xù)保持平穩(wěn)快速的發(fā)展。 1.1.2 直流電源變換器的比較 根據(jù)不同的工作原理可將便攜式穩(wěn)壓電源ic分成三類(lèi)：線性穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)式電 壓調(diào)整器及電荷泵式電壓調(diào)整器。線性穩(wěn)壓器是因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性范圍而 得名。一般認(rèn)為線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的漏失電壓vdif較大，導(dǎo)致 電路

17、轉(zhuǎn)換效率較低。近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的ldo線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，它 的最大優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出間的漏失電壓差很低，只有幾百毫伏，某些輸出小電流的 ldo線性穩(wěn)壓器其壓差僅幾十毫伏。如凌特公司(linear technology)推出的輸入電壓 可低至1.7v最大輸出電流為300ma的ldo線性穩(wěn)壓器，在滿負(fù)載電流時(shí)只有45mv的 極低漏失電壓。當(dāng)輸入電壓略大于輸出電壓與漏失電壓之和時(shí)，即： (1-1) inoutdif vvv 選用ldo線性穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)整輸入電壓是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇，這時(shí)ldo線性穩(wěn)壓器可 達(dá)到很高的效率，同時(shí)滿足極高的性?xún)r(jià)比。 開(kāi)關(guān)式電壓調(diào)整器主要指dc/dc變換器，包括升壓、降

18、壓、升降壓和反相等 幾種結(jié)構(gòu)。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路中有一個(gè)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導(dǎo)通或 截止兩種狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)管功耗較小并且與輸入電壓大小無(wú)關(guān)。隨著芯片集成度的 提高，許多新型dc-dc轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容，但這類(lèi)電源控制器 的輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高。 電荷泵式電壓調(diào)整器通過(guò)電容上電荷積累效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生高于電源的輸出電壓或者 負(fù)電壓。這種電路的輸出電壓只能取輸入電壓的倍數(shù)，雖然使用多個(gè)充電泵可獲得 其它倍數(shù)的輸出電壓，但芯片成本和靜態(tài)功耗也會(huì)隨之增加從而限制了它的使用范 圍。從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，電荷泵輸出電流越來(lái)越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。 表表1-11-1

19、三種直流電源調(diào)整器的特點(diǎn)比較 類(lèi)型類(lèi)型 指標(biāo)指標(biāo) 線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)式電壓調(diào)整器開(kāi)關(guān)式電壓調(diào)整器電荷泵式電壓調(diào)整器電荷泵式電壓調(diào)整器 功能降壓升壓、降壓、反相升壓、反相 效率中高高 功耗大較小大 復(fù)雜度低中到高中 尺寸小較大較大 成本低較高較低 波紋/噪聲低較高高 為了滿足日益復(fù)雜的電子產(chǎn)品電源需求，實(shí)現(xiàn)更高效率的電源變換，新一代高 性能的電源管理方案將dc-dc變換器與ldo線性穩(wěn)壓器，或是將電荷泵與ldo線性 穩(wěn)壓器結(jié)合起來(lái)，克服這三種電壓調(diào)整器各自固有的缺陷，從而達(dá)到低噪聲和高效 率的最佳組合12。 1.1.3 ldo 線性穩(wěn)壓器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，ldo線性穩(wěn)壓器在國(guó)外經(jīng)過(guò)多年的發(fā)

20、展，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。一些國(guó) 外知名的半導(dǎo)體廠商如ti、maxim、ns等都有比較完整的ldo產(chǎn)品系列。以 npn、pnp為調(diào)整管的ldo市場(chǎng)逐步萎縮；而以pmos管作為調(diào)整管的ldo以其較低 的漏失電壓、較小的靜態(tài)電流等優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了較大的市場(chǎng)份額；dmos工藝的ldo在 對(duì)漏失電壓要求很高的應(yīng)用中占有一定的份額；bcdmos工藝的ldo也已有了批量 生產(chǎn)3。 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)ldo線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。但經(jīng)過(guò)幾年的高速發(fā)展， 也有一些電源芯片設(shè)計(jì)公司推出了比較優(yōu)秀的ldo芯片。例如，國(guó)內(nèi)早期從事ldo 生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的sg2001、sg2002以及sg2003系列l(wèi)do，足

21、以滿 足當(dāng)前市場(chǎng)上主流電壓、電流的需要；sg2004、sg2011以及sg2012系列產(chǎn)品，則非 常適合于大電流負(fù)載應(yīng)用；sgm2007/2006/2005系列rf ldo更適合于手機(jī)電源的應(yīng) 用。這些芯片的性能絲毫不亞于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，而價(jià)格則更適合于當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 1.2 ldo 線性穩(wěn)壓器的研究目的線性穩(wěn)壓器的研究目的 從以上分析可以看出一方面電源管理芯片市場(chǎng)的飛速發(fā)展給工作效率不高但成 本上具有優(yōu)勢(shì)的 ldo 線性穩(wěn)壓器帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間；另一方面便攜式電子產(chǎn)品 對(duì)低功耗的強(qiáng)烈要求，使得 ldo 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點(diǎn)。因而在這種 背景下，有必要深入研究 ldo 電路，通過(guò)對(duì)

22、各模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)搭建一款具有低功耗 特征的 ldo 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并且針對(duì)這種系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)出專(zhuān)門(mén)的頻率補(bǔ)償方案從而保證 整體電路的穩(wěn)定性。 1.3 論文章節(jié)安排論文章節(jié)安排 本文總共分為七章，其中： 第一章主要闡述了ldo線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。 第二章簡(jiǎn)要介紹了ldo穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本性能指標(biāo)以及典型的應(yīng) 用電路。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對(duì)ldo線性穩(wěn)壓器進(jìn)行全面分析，研究了系 統(tǒng)主要參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系與各種折衷關(guān)系。從低功耗要求的角度出發(fā)，對(duì)各模塊進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定了所要研究的ldo系統(tǒng)架構(gòu)。 第四章建立了ldo線性穩(wěn)壓器的交流小信號(hào)模型，對(duì)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了 深入

23、的研究。引入了嵌套式密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償方法，并對(duì)嵌套式密勒補(bǔ)償中 調(diào)零電阻可能存在的位置進(jìn)行分析，確定了最合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從而有效地消除了右 半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 第五章是對(duì)ldo穩(wěn)壓器關(guān)鍵模塊電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。主要包括基準(zhǔn)與偏置電路、 恒定限流電路和短路保護(hù)電路等模塊。 第六章對(duì)ldo穩(wěn)壓器系統(tǒng)電路進(jìn)行全局仿真及分析。 第七章是全文總結(jié)，簡(jiǎn)單歸納了本文所做的主要工作。 2 ldo 線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)介線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)介 ldo線性穩(wěn)壓器按其靜態(tài)電流來(lái)分，可分為omni-power、micro-power、nano- power三種類(lèi)型。其中omni-power型ldo的靜態(tài)電流在100u

24、a至1ma之間；micro- power型ldo的靜態(tài)電流在10ua至100ua之間；nano-power型ldo的靜態(tài)電流則小于 10ua。本文設(shè)計(jì)的ldo屬于nano-power型，其較小的靜態(tài)電流非常適用于各種手持 電子設(shè)備產(chǎn)品的應(yīng)用中。 2.1 ldo 的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 基本的ldo線性穩(wěn)壓器包括誤差放大器、調(diào)整元件、基準(zhǔn)與偏置電路以及反饋 比例電阻網(wǎng)絡(luò)，再加上諸如過(guò)溫、限流、電池極性反轉(zhuǎn)等保護(hù)電路就構(gòu)成了一個(gè)完 整的ldo系統(tǒng)46?；鶞?zhǔn)偏置模塊用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)溫度穩(wěn)定性很高的參考電壓，它為誤 差放大器、電路內(nèi)部比較器等提供電壓偏置，并且對(duì)ldo穩(wěn)壓器輸出高精度的直流 電壓

25、起著十分重要的作用7。未調(diào)節(jié)的輸入電壓作為供電電源電壓，基準(zhǔn)電壓作為誤 差放大器的負(fù)相輸入電壓，電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓進(jìn)行分壓并得 out v l c 2f r 1f r l r cc v mp g fb v 基準(zhǔn)與偏 置電路 保護(hù)電路 esr r amp 圖圖2-12-1 pmos型ldo穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖 到反饋電壓，此反饋電壓輸入到誤差比較器的同相端，與負(fù)相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比 較。兩電壓差值通過(guò)誤差放大器的放大后直接控制功率調(diào)整元件的柵極，通過(guò)改變 調(diào)整元件的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)控制ldo的輸出端從而獲得穩(wěn)定的輸出電壓值。 圖2-1為pmos型ldo線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出由誤差放大器、

26、調(diào)整元件和反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路所以： (2-1) 1 ref out a v v a (2-2) 1 12 f ff r rr 其中，為ldo反饋環(huán)路的開(kāi)環(huán)增益，為反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。在實(shí)際a 電路中由于，所以(2-1)式可以寫(xiě)成：1a (2-3) 12 1 ref ff outref f v rr vv r 由式(2-3)可知，ldo穩(wěn)壓器的輸出電壓只取決于基準(zhǔn)電壓和反饋系數(shù)，而與輸入電 壓和負(fù)載電流的大小無(wú)關(guān)。 2.2 ldo 的基本性能指標(biāo)的基本性能指標(biāo) 2.2.1 輸出電壓與輸出精度 輸出電壓vout是ldo線性穩(wěn)壓器的重要參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用ldo時(shí)首

27、先應(yīng)考慮的參數(shù)。按輸出電壓值可分為固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類(lèi)型。一 般固定輸出電壓ldo線性穩(wěn)壓器是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)廠商精密調(diào)整，輸出電壓精度也很高。 但由于固定輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求，因此也可 以外接反饋比例電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻阻值獲得需要的輸出電壓。 ldo線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)， 主要有輸入電壓變化引起的輸出變化、負(fù)載變化引起的輸出變化、基準(zhǔn) lr v ldr v 電壓漂移引起的輸出變化、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化、反饋比例電 ref v amp v 阻阻值漂移引起的輸出變化以及由環(huán)境溫度變化引起的輸出變化，輸出精

28、 res v tc v 度由下式給出8： cc a (2-4) 2222 100% lrldrrefamprestc cc out vvvvvv a v 其中、及對(duì)影響較大，因此基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及反饋比例 ref v amp v res v cc a 電阻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。 2.2.2 漏失電壓與靜態(tài)電流 漏失電壓vdif定義為保證ldo線性穩(wěn)壓器正常工作時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入輸出電壓間的最 小電壓差910，即： (2-5) min, difinout ldo vvv 正常工作 它是反映調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓能力的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)采用 pmos 管作為調(diào)整管的 電路，漏失電壓為導(dǎo)通電阻 r

29、on和負(fù)載電流 iout的乘積: (2-6) difonout vri ldo線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流又叫接地電流，定義為芯片不加負(fù)載時(shí)，電路正常 工作時(shí)內(nèi)部消耗的電流，它等于輸入電流與輸出電流之差11，即: (2-7) qinout iii out i in v out v outin gnd ldo out c esr r q i in i dif v 圖圖 2-22-2 漏失電壓與靜態(tài)電流示意圖 2.2.3 功耗與效率 ldo線性穩(wěn)壓器的功耗pw為： (2-8)() wininoutoutinoutoutinq pvivivvivi (2-8)式中，第一項(xiàng)是調(diào)整管上產(chǎn)生的功耗，第二項(xiàng)則是芯片

30、靜態(tài)電流功耗，因而 ldo的工作效率為12： (2-9)100% () outout outqin vi iiv 式(2-9)說(shuō)明了ldo線性穩(wěn)壓器的效率與漏失電壓和靜態(tài)電流有關(guān)，低漏失電壓、小 靜態(tài)電流則意味著ldo電路具有低功耗、高效率的特點(diǎn)。 0510152025 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 60 70 80 90 100 時(shí)間 （小時(shí)） 電池電壓（v，三節(jié)堿性電池） 效率 （%） 電池電壓 效率曲線 圖圖2-32-3 ldo效率與電池輸出電壓的時(shí)間關(guān)系 在實(shí)際應(yīng)用中，分析效率時(shí)還必須清楚：由于電池不是理想電源，它具有輸出 電阻，因此供電時(shí)它的輸出電壓是逐漸下降的，電池的這種

31、特性是非常有利于ldo 線性穩(wěn)壓器工作效率的提高。ldo線性穩(wěn)壓器工作效率是隨著電池電壓的下降而逐 漸升高的，實(shí)際電池的電壓、ldo線性穩(wěn)壓器工作效率與電池工作時(shí)間的關(guān)系如圖 2-3所示。另外，在小負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電 流等于輸入電流的一半時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將減小一半，因此當(dāng)設(shè)備處于“待機(jī)”時(shí) 靜態(tài)電流將決定電池的使用壽命。 2.2.4 負(fù)載調(diào)整率與線性調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸出負(fù)載大小變化對(duì)輸出電壓的影響程度，表征了負(fù) 載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標(biāo)稱(chēng)值上的能力，它定義為： (2-10) () out i out nomout v s vi 其中，是標(biāo)定的

32、輸出電壓值，為負(fù)載電流的變化量，為負(fù)載電流 )(nomout v out i out v 變化引起的輸出電壓的變化量。顯然，負(fù)載調(diào)整率越小越好。 線性調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對(duì)輸出電壓的影響程度，定義為負(fù) 載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量之比，即： (2-11) () 100 out v inout nom v s vv 其中，是標(biāo)定的輸出電壓值，為輸入電壓的變化量，為輸入電壓 )(nomout v in v out v 變化引起的輸出電壓的變化量。與負(fù)載調(diào)整率一樣，該指標(biāo)也是越小越好。 2.3 ldo 的基本應(yīng)用的基本應(yīng)用 ldo線性穩(wěn)壓器作為直流電壓轉(zhuǎn)換器

33、，適用于多種場(chǎng)合的應(yīng)用。圖2-4所示為 ldo的四種典型應(yīng)用。圖2-4(a)所示電路是一種最常見(jiàn)的ac/dc交流電源電壓經(jīng)變壓 器變?yōu)橹绷麟妷海俳?jīng)過(guò)ldo得到所需的輸出直流電壓。在該電路中，ldo線性穩(wěn) 壓器的作用是在交流電源電壓或負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定輸出直流電壓，減小交流噪聲對(duì)輸 出電壓的影響。 由于各種電池的輸出電壓在工作一段時(shí)間后都會(huì)下降，為了保證電池輸出電壓 的恒定，通常都會(huì)在電池輸出端接入ldo線性穩(wěn)壓器，如圖2-4(b)所示。這樣不僅給 后續(xù)電路提供穩(wěn)定的電壓，而且隨著電池工作時(shí)間的推移，也提高了ldo的工作效 率。 ldo dc dc-dc ldo dc ac dc output l

34、do ldo ldo ldo ldo dc en1 en2 en3 en4 output1 output2 output3 output4 (a) (b) (c) (d) 圖圖2-42-4 ldo的典型應(yīng)用示意圖 眾所周知，開(kāi)關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電 壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。在開(kāi)關(guān)性 穩(wěn)壓器輸出端接入ldo線性穩(wěn)壓器，如圖2-4(c)所示，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也 可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會(huì)明顯下降。 在某些應(yīng)用中，比如無(wú)線電通信設(shè)備中通常只有一組電池供電，但設(shè)備中的各 部分電路常常采用互相隔

35、離的不同電壓，因此必須由多只ldo穩(wěn)壓器供電，如圖2- 4(d)所示。為了節(jié)省共用電池的電量，在設(shè)備不工作時(shí)，ldo穩(wěn)壓器上的使能端可以 使ldo進(jìn)入休眠模式，從而達(dá)到省電目的13。 2.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)要介紹了ldo線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。然后，重點(diǎn)說(shuō)明 了ldo的幾組關(guān)鍵性能指標(biāo)，為后續(xù)章節(jié)對(duì)ldo進(jìn)行瞬態(tài)、直流、交流三方面的研 究作好鋪墊，最后介紹了ldo穩(wěn)壓器在幾種典型場(chǎng)合下的應(yīng)用。 3 ldo 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮 本論文著眼于設(shè)計(jì)一款低功耗高穩(wěn)定性的ldo線性穩(wěn)壓器，因而必須圍繞低功 耗和高穩(wěn)定性?xún)煞矫鎸?duì)ldo的各子模塊進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)。本章首先

36、對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行瞬 態(tài)、直流、交流分析，然后根據(jù)低功耗的設(shè)計(jì)需要確定各子模塊的基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)而 確定ldo的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3.1 ldo 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究 ldo線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)研究主要關(guān)注其瞬態(tài)響應(yīng)，是指輸入電壓、輸出負(fù)載階 躍變化時(shí)引起的輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間。ldo線性穩(wěn) 壓器通常會(huì)給低壓數(shù)字電路供電，數(shù)字電路經(jīng)常存在各種工作模式之間的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換， 這樣當(dāng)其發(fā)生階躍變化時(shí)，ldo的輸出電壓變化范圍一定要在標(biāo)稱(chēng)范圍內(nèi)，才能保 證電路的正常工作。同時(shí)由于ldo的響應(yīng)速度決定了負(fù)載電路恢復(fù)正常工作的能力， 因此設(shè)計(jì)出的ldo線性穩(wěn)壓器應(yīng)該具有較好的瞬態(tài)特性。

37、 輸出電壓（v） 時(shí)間 （s） 1 t 2 t 4 t 2 v out v load i 3 v 4 v tr max v 3 t 圖圖 3-13-1 ldo 線性穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)圖 圖3-1為典型的ldo線性穩(wěn)壓器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線14。當(dāng)輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍變化 時(shí)穩(wěn)壓器輸出脈沖值應(yīng)該是在穩(wěn)壓器閉合環(huán)路響應(yīng)之前輸出電流對(duì)電容的充電電壓 值。比如輸出電流iout從0跳變到最大輸出電流io(max)，那么輸出最大下降脈沖 tr max v 為： (3-1) ()() 11() o maxo max tr maxesro maxesr outout ii vtvtir cc 從(3-1)式可以看到

38、是響應(yīng)時(shí)間、輸出電容等的函數(shù)。這里是 tr max v 1 t out c esr v 輸出電壓的變化在輸出電容的esr電阻上產(chǎn)生的壓降并正比于。閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間 esr r 在典型情況下是由輸出電容cout、最大負(fù)載電流io(max)和可允許的最大輸出變化量 1 t 確定的1516。但是實(shí)際應(yīng)用中，由于調(diào)整管產(chǎn)生的柵極電容影響了誤差放大器 g v 的擺率，從而增大了閉環(huán)響應(yīng)的時(shí)間，其近似表達(dá)式為17： (3-2) 1 11 g srpar clclsr v ttc bwbwi 這里是負(fù)載階躍變化后調(diào)整管柵極電位的改變量，isr是誤差放大器擺率電流。 g v 當(dāng)isr足夠大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間主要由系統(tǒng)閉

39、環(huán)帶寬決定。因此在高速ldo電路的設(shè)計(jì)中 常常需要犧牲功耗，將isr設(shè)置得較大，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 隨著ldo響應(yīng)負(fù)載階躍變化的結(jié)束，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)整時(shí)間后，輸出電壓重新穩(wěn) 2 t 定，比標(biāo)稱(chēng)輸出電壓值減小了，其變化量可以用式(3-3)表示： 2 v 2 v (3-3) 2(max)o rego vri 其中，是ldo系統(tǒng)的閉環(huán)輸出阻抗，是調(diào)整管導(dǎo)通電阻減小()倍后 o reg r v a1 的輸出，io(max)是負(fù)載階躍變化量。直觀地在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中反映了系統(tǒng)的負(fù)載 2 v 調(diào)整能力。而調(diào)整時(shí)間的確定主要依賴(lài)于調(diào)整管輸出電流驅(qū)動(dòng)輸出電容和旁路電 2 t 容的能力，以及系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)的相位

40、裕度參數(shù)。相位裕度越大，意味著系統(tǒng)越 穩(wěn)定，同時(shí)調(diào)整時(shí)間也將越長(zhǎng)。 當(dāng)負(fù)載由最大值突然階躍到非常小時(shí)，系統(tǒng)同樣需要一個(gè)響應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生一 3 t 個(gè)負(fù)向的過(guò)沖值，它們的表達(dá)式分別為 3 v (3-4) ,max,max 33 1 ll esresr outboutbcl ii vtvv ccccbw (3-5) 3 1 cl t bw 比較式(3-2)和(3-5)，上面兩式中比更小，這主要是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載階躍變小時(shí)， 3 t 1 t 調(diào)整管柵極寄生電容對(duì)響應(yīng)時(shí)間的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，使只等于系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的 3 t 倒數(shù)，這樣也使過(guò)沖值比更小一些。 3 v tr max v ldo響應(yīng)時(shí)間結(jié)束后，調(diào)整管

41、隨之關(guān)閉，輸出電壓的改變量下降到，然后經(jīng) 4 v 過(guò)時(shí)間調(diào)整，ldo穩(wěn)定輸出。此時(shí)，輸出電壓的調(diào)整將主要取決于ldo系統(tǒng)的輸 4 t 出電容參數(shù)，即： (3-6) 43esr vvv (3-7) 1 444 outbf outb pull downref ccrcc tvv iv 其中，為ldo分壓網(wǎng)絡(luò)流過(guò)的小電流，是反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻之一。 pull down i 1f r 由以上的分析可以看到附加的高頻旁路電容(低esr)減小了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的峰值，即 和。這是因?yàn)樨?fù)載階躍時(shí)，會(huì)由首先提供部分電流來(lái)滿足階躍輸出電 tr max v 3 v out c 壓的改變，此時(shí)附加的同樣可以提供部分

42、電流，這樣相當(dāng)于減緩了提供電流 b c out c 變化而造成電壓下降的強(qiáng)度。 從上面的分析可以得出結(jié)論：在ldo線性穩(wěn)壓器中，主要由系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、 輸出電容和負(fù)載電流這幾個(gè)因素決定負(fù)載電流階躍引起輸出電壓變化的幅度和響應(yīng) 時(shí)間。輸出電壓最大變化量是系統(tǒng)閉環(huán)帶寬和擺率的函數(shù)，而帶寬和擺率又受電路 靜態(tài)電流的嚴(yán)格限制。因?yàn)閹挼脑黾樱枰纳鷺O點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率也相應(yīng)增加，這樣 就需要增大靜態(tài)電流而減小寄生極點(diǎn)的阻抗。因此，就要犧牲功耗，增大誤差放大 器的靜態(tài)電流，以獲得較快的響應(yīng)速度。另外，擺率的提高，也需要增大誤差放大 器的輸出級(jí)電路的偏置電流，以提供更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管柵極寄生節(jié)點(diǎn)的 大電

43、容。所以系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是矛盾的，在設(shè)計(jì)ldo穩(wěn)壓器時(shí)要 折衷考慮這兩者的關(guān)系。 3.2 ldo 系統(tǒng)電路的直流研究系統(tǒng)電路的直流研究 在ldo線性穩(wěn)壓器的直流研究中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮系統(tǒng)電路的負(fù)載調(diào)整率和線性 調(diào)整率這兩項(xiàng)指標(biāo)，它們都是靜態(tài)參數(shù)，在分析時(shí)可以不考慮電路中的儲(chǔ)能元件18。 3.2.1 負(fù)載調(diào)整率的研究 假設(shè)某一時(shí)刻輸出電流變化，由此引起的輸出電壓變化為： o i (3-8) outoout vir 對(duì)于由調(diào)整管、誤差放大器和反饋比例電阻構(gòu)成的閉合回路來(lái)說(shuō)，輸出電壓變化 被采樣反饋給誤差放大器輸入端的電壓信號(hào)為： out v (3-9) 1 12 f sout ff r

44、 vv rr 它經(jīng)過(guò)誤差放大器和調(diào)整管的放大后對(duì)輸出電流的影響變?yōu)椋?(3-10) 1 12 f osmampoutmampoa ff r ivggvggr rr 由(3-10)式得： (3-11) 12 1 1 outff outmampoaf vrr iggrr 從上式就可以得知負(fù)載調(diào)整率與系統(tǒng)電路的開(kāi)環(huán)增益成反比，系統(tǒng)的直流增益越大， ldo穩(wěn)壓器的負(fù)載調(diào)整率就越好。 3.2.2 線性調(diào)整率的研究 假設(shè)調(diào)整管的導(dǎo)通電阻為，穩(wěn)壓器輸出端除外的等效電阻為，由輸入 on r on r z r 電壓變化引起的輸出電壓變化為，那么輸出電壓可以表示為： out v z outinout zon r

45、vvv rr () z inzsrefmampoa zon r vr vvggr rr 1 12 zf inmampoazrefoutzoamamp zonff rr vggr rvvr r gg rrrr (3-12) 1 12 1 z inmampoazref zon f zoamamp ff r vggr rv rr r r r gg rr 由于，所以(3-12)式可以寫(xiě)成：1 zmamp r gg (3-13) 1212 11 () inffff outref fmampoazonf vrrrr vv rggrrrr (3-13)式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)是由輸入電壓變化引起的輸出電壓關(guān)系式，

46、第二項(xiàng)是輸出 電壓與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系式。因此，輸入輸出電壓關(guān)系為： (3-14) 12 1 1 () outff infmampoazon vrr vrggrrr 和負(fù)載調(diào)整率一樣，只要提高了反饋環(huán)路的開(kāi)環(huán)增益就可以減小電壓調(diào)整率。 3.3 ldo 系統(tǒng)電路的交流研究系統(tǒng)電路的交流研究 在ldo的交流分析中，主要關(guān)注系統(tǒng)電路的電源抑制比psrr以及系統(tǒng)的環(huán)路增 益、穩(wěn)定性等問(wèn)題。由于系統(tǒng)的環(huán)路增益和穩(wěn)定性將在第四章專(zhuān)門(mén)研究，所以本節(jié) 只對(duì)ldo的電源抑制比指標(biāo)進(jìn)行分析。 ldo線性穩(wěn)壓器的psrr特性反映了輸出電壓對(duì)輸入噪聲和紋波的抑制能力。 圖3-2是對(duì)pmos型ldo做psrr分析時(shí)的簡(jiǎn)化交

47、流小信號(hào)模型19，可以推出ldo的電 源抑制比為： (3-15) 2 1 2 21 ( ) ( )()() gspgdpmpgdpmp out inoutgspgdpmpgdpgspoutmpma s ccsg cg g vs psrr vss cccs g cg cgcgg + = + gs c gd c oa r ( ) in vs out v o r out c mafb g v 1( ) v s 1( )mp g v s load r 圖圖 3-23-2 pmos 型 ldo 的 prss 分析簡(jiǎn)化交流小信號(hào)模型 由(3-15)式可知，ldo的psrr直流增益、零極點(diǎn)分別為： (3-1

48、6) 1 0 0 1 maota g psrr ga (3-17) 1 1 2 mp psrrota gdp g g zbw cg - = -= - (3-18) 2 mp psrr gsp g z c - = - (3-19) 1 21 mpma ma psrrldo mpgdpgspgdpgdp gg g pgbw g cg cgcc (3-20) 21 2 () mpgdpgspout psrr outgspgdp g cg cgc p ccc 其中：、，、bwota、gbwldo分別為誤差放大器的 1 1 () oa gr 1 2 () out gr (0) ota av 直流增益、帶

49、寬以及l(fā)do的增益帶寬積。通過(guò)psrr的零極點(diǎn)分析，可以得出以下結(jié) 論： 1）誤差放大器的直流增益決定了低頻段的psrr，直流增益越高，低(0) ota av 頻段的psrr特性越好；但是高增益的放大器將會(huì)使單位增益頻率變大，可能導(dǎo)致負(fù) 反饋環(huán)路穩(wěn)定性變差，因而需要與穩(wěn)定性同步考慮； 2）psrr的第一個(gè)零點(diǎn)z1和第一個(gè)極點(diǎn)p1分別與放大器的帶寬、環(huán)路的增益帶寬 積成正比，它們應(yīng)盡可能靠近，但它們同樣對(duì)環(huán)路的穩(wěn)定性起著相反的作用； 3）psrr的第二個(gè)極點(diǎn)p2與輸出電容cout成反比，雖然增大輸出電容可以將該極 點(diǎn)向前推，獲得較好的psrr特性，但該方法同樣可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路的不穩(wěn)定，因 此在

50、利用此方法改善psrr時(shí)必須同時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，大尺寸的電容也會(huì) 增加系統(tǒng)成本。 3.4 ldo 子模塊的設(shè)計(jì)考慮子模塊的設(shè)計(jì)考慮 3.4.1 調(diào)整管的設(shè)計(jì)考慮 目前市場(chǎng)上主要有雙極型和 mos 型兩種 ldo 線性穩(wěn)壓器。雙極器件開(kāi)發(fā)早、 工藝相對(duì)成熟、穩(wěn)定，用雙極工藝可以制造出速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高的 器件，適用于高精度的模擬集成電路。但其功耗大，集成度低，無(wú)法滿足集成規(guī)模 越來(lái)越大的系統(tǒng)集成要求。而且為了防止雙極型調(diào)整管進(jìn)入飽和狀態(tài)而降低輸出能 力，輸入輸出之間必須維持一定的壓差，因而無(wú)法提高電源轉(zhuǎn)換效率；mos 型器件 有極低的靜態(tài)功耗，并且具有集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，

51、寬的電源電壓范圍以及較 寬的輸出電壓幅度。最重要的是 mos 型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管是電壓驅(qū)動(dòng)的，能大大 降低器件消耗的靜態(tài)電流；而且其較小的導(dǎo)通阻抗使得漏失電壓比較低，從而提高 了電源的轉(zhuǎn)換效率。新一代的 ldo 都是用 cmos 工藝生產(chǎn)的，它和使用 bipolar 工 藝生產(chǎn)的 ldo 功能上沒(méi)有太大的區(qū)別，而靜態(tài)電流、轉(zhuǎn)換效率、噪音抑制等內(nèi)在性 能卻有很大的提高20。 3.4.1.1 調(diào)整管類(lèi)型的選擇 集成穩(wěn)壓器曾先后采用了npn達(dá)林頓管、npn、pnp、nmos和pmos管作為調(diào) 整管器件，下面分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹21。 （a）達(dá)林頓npn結(jié)構(gòu)（b）npn結(jié)構(gòu) （c）pnp結(jié)構(gòu)（d）p

52、mos管結(jié)構(gòu)（e）nmos管結(jié)構(gòu) 圖圖3-33-3 幾種類(lèi)型的ldo調(diào)整管 圖3-3(a)所示為npn達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)的調(diào)整管，由兩個(gè)npn管和一個(gè)pnp管構(gòu)成。 為了使之能夠正常工作，漏失電壓應(yīng)大于兩個(gè)pn結(jié)正向?qū)▔航蹬cpnp飽和壓降之 和，即： (3-21)()21.5 difcebe vvsatvv 圖3-3(b)所示為npn結(jié)構(gòu)的調(diào)整管，由一個(gè)npn管和一個(gè)pnp管組成。為了使之 能夠正常工作，漏失電壓應(yīng)大于一個(gè)pn結(jié)正向?qū)▔航蹬cpnp飽和壓降之和，即： (3-22)()0.8 difcebe vvsatvv 以上兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整管穩(wěn)壓器具有相對(duì)較小的靜態(tài)電流，因?yàn)檎{(diào)整管npn管的 驅(qū)動(dòng)

53、電流由pnp管的集電極電流注入，驅(qū)動(dòng)電流直接經(jīng)過(guò)大調(diào)整管npn管放大輸出給 了負(fù)載。但相對(duì)較大的漏失電壓使得采用這兩者的穩(wěn)壓器不能算作低壓差的線性穩(wěn) 壓器。 圖3-3(c)所示為pnp結(jié)構(gòu)的調(diào)整管。這種結(jié)構(gòu)的ldo最大優(yōu)點(diǎn)是pnp管處于深飽 和狀態(tài)下仍可維持穩(wěn)定輸出，所以漏失電壓較小，即： (3-23)()0.15 0.4 difce vvsatv 調(diào)整管的靜態(tài)電流直接取決于pnp調(diào)整管的增益和負(fù)載電流io，即： (3-24)/ drvo ii 其中是晶體管電流增益，其值一般在20500之間。當(dāng)負(fù)載電流io增加時(shí)，基極驅(qū) 動(dòng)電流idrv也隨之增大。但由于idrv不是輸出到負(fù)載，而是直接輸出到地

54、，所以采用 pnp作為調(diào)整管的線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流相對(duì)較大。以pnp管為調(diào)整管還有另一個(gè)缺點(diǎn)， 就是當(dāng)電路進(jìn)入非穩(wěn)壓區(qū)域(dropout region)的時(shí)候，它往往也會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，造成 pnp晶體的電流增益值下降。此時(shí)，為了維持輸出電壓不變，它就必須汲取更多的 基極電流ib，這就需要較大的啟動(dòng)電流。如果系統(tǒng)的電流供應(yīng)能力不足，穩(wěn)壓器甚至 無(wú)法正常啟動(dòng)。 圖3-3(d)、(e)為mos型調(diào)整管，由于它是壓控元件，所以在輸出電流增加時(shí)不會(huì) 要求相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電流增加，而且mos管的柵極阻抗極大，其柵極電流可以忽略 不計(jì)。加之mos管的導(dǎo)通電阻較小，因此這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器具有較小的漏失電壓。 表表

55、3-13-1 幾種結(jié)構(gòu)調(diào)整管的性能比較 總之，npn達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器由于其低價(jià)大驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)比較適合應(yīng)用于 交流供電的設(shè)備中；pnp結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器很容易完成低漏失功能，但是它的大靜態(tài)電流 和較低的效率使之不能應(yīng)用于手持設(shè)備的電路中；nmos結(jié)構(gòu)的調(diào)整管雖然具有低 導(dǎo)通阻抗，但其柵極需要增加額外的電荷泵電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而限制了在ldo穩(wěn)壓器 中的廣泛應(yīng)用。通過(guò)比較上述五種結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效 率的特點(diǎn)，選用pmos管作為調(diào)整管是最佳的方案。 3.4.1.2 pmos調(diào)整管尺寸的選擇 pmos調(diào)整管的尺寸是由芯片要求的最大輸出電流和最小漏失電壓決定的。作為 輸入端向負(fù)載提供輸

56、出電流的通道，調(diào)整管的寬長(zhǎng)比越大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力就越強(qiáng)。 又由于pmos調(diào)整管結(jié)構(gòu)的ldo線性穩(wěn)壓器，其漏失電壓正比于pmos管的導(dǎo)通電阻， 因此調(diào)整管較大的寬長(zhǎng)比也會(huì)降低漏失電壓從而提高電源的轉(zhuǎn)換效率。但如果一味 地增大調(diào)整管的寬長(zhǎng)比，其柵極寄生電容cpar也會(huì)增加，造成誤差放大器擺率的降低； 類(lèi)型類(lèi)型 參數(shù)參數(shù) 達(dá)林頓管達(dá)林頓管npnpnppmos 最大輸出電流高高高中 靜態(tài)電流中中大小 漏失電壓vsat+2vbevsat+vbevcevsat 效率低中高高 同時(shí)使相應(yīng)的寄生極點(diǎn)左移，減小相位裕度，從而可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且， 過(guò)大尺寸的調(diào)整管給版圖設(shè)計(jì)也帶來(lái)了諸多問(wèn)題。比如，連接線的

57、線電阻和線電容、 過(guò)大的線電流密度、熱耗散功率、版圖內(nèi)部寄生效應(yīng)等。反之，如果調(diào)整管寬長(zhǎng)比 過(guò)小，就會(huì)造成負(fù)載能力較弱，不能提供要求的輸出電流，還可能使得調(diào)整管在較 低的輸入電壓、大負(fù)載條件下較早地進(jìn)入線性區(qū)，從而影響穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。 因此，應(yīng)該綜合以上因素為調(diào)整管選擇適當(dāng)?shù)膶掗L(zhǎng)比。 3.4.2 誤差放大器的設(shè)計(jì)考慮 誤差放大器是ldo線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是用來(lái)將反饋電壓vfb和基準(zhǔn)電壓 vref進(jìn)行比較放大，輸出到調(diào)整管的柵極，通過(guò)調(diào)節(jié)功率管的工作狀態(tài)，從而保證輸 出電壓的穩(wěn)定。誤差放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：增益、輸出阻抗、帶寬、輸出擺 率電流、輸出電壓擺幅和靜態(tài)電流等22。根據(jù)ld

58、o電路的系統(tǒng)特征并結(jié)合本論文的 低功耗設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)各種結(jié)構(gòu)誤差放大器的分析來(lái)確定最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 首先，誤差放大器的直流增益與ldo的負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率成反比，從這 個(gè)方面就要求誤差放大器的直流增益越大越好；但過(guò)大的低頻增益會(huì)展寬ldo電路 的帶寬，將高頻寄生極點(diǎn)包含在單位增益頻率內(nèi)，從而降低了系統(tǒng)的相位裕度，甚 至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。使用一級(jí)誤差放大器結(jié)構(gòu)的ldo，由于低頻增益不夠大，所 以其直流參數(shù)不會(huì)太好；而使用三級(jí)或三級(jí)以上結(jié)構(gòu)的誤差放大器，不僅增大了結(jié) 構(gòu)對(duì)地的支路電流，而且使系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償方案復(fù)雜化。因此，本文將放大器的結(jié) 構(gòu)鎖定在二級(jí)放大結(jié)構(gòu)或共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)放上。 其次，

59、由于電源電壓隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步而逐漸減小，雖然共源共柵結(jié)構(gòu)的 運(yùn)放比簡(jiǎn)單的二級(jí)運(yùn)放少一條對(duì)地電流，但其本身的結(jié)構(gòu)決定了它并不適用于低電 壓供電的ldo電路中。所以，我們將誤差放大器的結(jié)構(gòu)定為簡(jiǎn)單的二級(jí)級(jí)聯(lián)放大器 上。 最后來(lái)權(quán)衡在誤差放大器與調(diào)整管之間是否應(yīng)該增加緩沖級(jí)。一些研究表明由 于調(diào)整管的尺寸較大，因而在其柵極有較大的寄生電容；又由于誤差放大器的輸出 阻抗也較大，從而在調(diào)整管的柵極出現(xiàn)一個(gè)中低頻極點(diǎn) p12324。如果增加了緩沖級(jí)， 那么原來(lái)的中低頻極點(diǎn) p1可以分裂為兩個(gè)較高頻率的極點(diǎn) p2和 p3，分別為： (3-25) 2 1 2 parbuf p cr (3-26) 3 1

60、2 oaoa p c r 其中、分別為調(diào)整管柵極和誤差放大器等效輸出電容；、分別為 par c oa c buf r oa r 緩沖級(jí)和誤差放大器等效輸出電阻。這樣通過(guò)緩沖級(jí)就可以避免采用較大的輸出電 容補(bǔ)償p1，而且系統(tǒng)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性也會(huì)得到較大的改善。 但是從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，增加緩沖級(jí)就增大了電路的靜態(tài)電流，而且緩 沖級(jí)還會(huì)造成誤差放大器輸出電壓一個(gè)vgs的損失，從而使調(diào)整管不能完全的導(dǎo)通或 截止。 amp ref v fb v out v cc v bias v 1f r 2f r p m 1 m 2 m cc v (a) amp ref v fb v out v bias v