1、I / 70LDO 線性穩(wěn)壓器設計畢業(yè)論文摘 要隨著電源管理IC技術的不斷發(fā)展，高性能低成本的電源管理芯片越來越受到用戶的青睞。LDO線性穩(wěn)壓器以其低噪聲、高電源抑制比、微功耗和簡單的外圍電路結構等優(yōu)點而被廣泛應用于各種直流穩(wěn)壓電路中。為適應電源市場發(fā)展的需要，結合LDO系統(tǒng)自身特點，設計了一款低功耗、高穩(wěn)定性LDO線性穩(wěn)壓器。本文首先簡要介紹了LDO線性穩(wěn)壓器的工作原理與基本性能指標。其次，從瞬態(tài)、直流、交流三方面對系統(tǒng)結構進行深入研究，闡述LDO穩(wěn)壓器的設計要點與各種參數的折衷關系。隨后從低功耗設計的角度出發(fā)，對各子模塊結構進行優(yōu)化，從而確立最終的系統(tǒng)架構。通過建立LDO電路的交流小信號模

2、型，計算得到系統(tǒng)的環(huán)路增益并由此推出電路中零極點的分布位置從而獲得研究系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的途徑。針對文中采用的兩級級聯(lián)誤差放大器直接驅動調整管柵極的拓撲結構，引入嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償兩種方法來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。討論了嵌套式密勒補償中調零電阻可能存在的位置，確定最合適的補償結構從而有效地消除了右半平面零點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后分析了各子模塊電路的結構與工作原理，并給出了LDO系統(tǒng)模塊與整體仿真的結果與分析。電路設計采用了CSMC 0.6umCMOS工藝模型，對LDO穩(wěn)壓器在不同的模型、輸入電壓、溫度組合下進行前仿真驗證。結果表明：電路不帶負載的靜態(tài)電流為1.79 uA，系統(tǒng)帶寬幾乎不隨

3、負載變化，在輸出電流圍能保證較好的穩(wěn)定性。關鍵詞：關鍵詞：線性穩(wěn)壓器，低壓差，嵌套式密勒補償，動態(tài)零點補償，低功耗II / 70AbstractWith 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 the benefi

4、ts 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 excellent stabi

5、lity. 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 subsequently. The

6、n, 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 compensation (

7、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-half-plane z

8、ero 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 combinations

9、 of spice models, supply III / 70voltages 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.KeywordsKeywords：Linear Regulator Low Dropout Voltage Nested Miller Compensation T

10、racking-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)2LDO 線性穩(wěn)壓器的簡介線性穩(wěn)壓器的簡介2.1 LDO 的結構與工作原理(6)2.2 LDO 的基本性能指標(7)2.3 LDO 的基本應用(10)2.4 本章小結(12)3 LDO 系統(tǒng)架構的設計考慮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 系統(tǒng)電路的交流研究(17)3.4 LDO 子模塊的設計

11、考慮(19)3.5 本章小結(25)IV / 704 LDO 穩(wěn)定性研究與補償方式的確定4.1 LDO 環(huán)路增益的建模(27)4.2 傳統(tǒng) ESR 電阻補償(29)4.3 LDO 補償方式的優(yōu)化(34)4.4 本章小結(43)5 模塊電路的實現與仿真5.1 基準與偏置電路的設計(44)5.2 恒定限流電路的設計(47)5.3 FOLDBACK 電路的設計(50)5.4 本章小結(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(58)6.4 本章小結(59)7 全文總結(61)致(63)參考文獻(64)1 / 701 1 緒

12、緒 論論 半導體工藝技術的提高與便攜式電子產品的普與促使電源管理IC有了長足的發(fā)展。LDO(low-drop-out)線性穩(wěn)壓器作為較早應用于電子設備中的一種電源管理電路，以其電路結構簡單、占用芯片面積小、高紋波抑制比、低噪聲等優(yōu)點，牢固地占據著電源管理IC市場的一席之地。本章首先介紹電源管理IC的發(fā)展趨勢，比較幾種直流穩(wěn)壓電路的優(yōu)缺點，然后闡述了LDO線性穩(wěn)壓器國外的發(fā)展現狀，指出電路低功耗設計的需要，進而引出研究LDO電路的意義與目的，最后提出本文的結構與主要容。1.11.1 LDOLDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義線性穩(wěn)壓器的研究意義1.1.11.1.1 電源管理 IC 的發(fā)展趨勢 近年來，各

13、種便攜式電子產品的普與與產品功能的豐富，對電源管理IC提出了諸如高集成度、高性價比、高效率等要求。隨著半導體技術的飛速發(fā)展，電源管理技術也在不斷進步。目前便攜設備的電源管理技術正朝著電源管理與系統(tǒng)整合的方向發(fā)展，主要呈現出以下三大發(fā)展趨勢： 一是盡可能提高電池功率轉換效率。電源管理IC供應商目前主要利用先進的半導體工藝，如美國國家半導體(NS)采用其“低電壓低功耗CMOS工藝” ，來減小靜態(tài)電流，提高轉換效率。 二是最大限度地提高負載器件的功率利用效率。過去電源管理IC供應一直將關注重點放在管理功率的傳遞上，即如何為不同的負載器件分配不同的功率。但現在發(fā)現負載器件的功率消耗也是一個充滿潛力可挖

14、的管理課題。比如，負載器件在不同工作負荷下不必一律讓其處于全速運行狀態(tài)；再如，負載器件在待機和工作狀態(tài)下不必供應同樣的功率。只要管理得好，這也可成為延長電池工作壽命的一大重要因素。美國國家半導體公司的自適應電壓調整(AVS)技術和TI的動態(tài)電壓與頻率調整(DVFS)技術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，進一步提高集成度，并采用更先進的封裝技術，如2 / 70CSP、LLP和Micro SMD等。 與世界其它地區(qū)相比，中國的電源管理芯片市場始終保持著快速的發(fā)展態(tài)勢。2006年，中國電源管理芯片銷售額達到了267億元。隨著全球制造業(yè)進一步向中國的轉移，預計到201

15、0年，中國將成為世界上最大的電源芯片需求市場，銷售額預計將達到735億元人民幣。從應用領域來看，國電源管理芯片市場主要分布在消費電子、網絡通信、計算機和工業(yè)控制等領域。賽迪顧問預測，20062010年中國電源管理芯片市場規(guī)模復合增長率將達28.8%，電源管理產品仍將是集成電路產品中最為活躍的產品之一。未來幾年，由于以下因素的影響，國電源管理芯片市場還將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭：1）半導體產業(yè)環(huán)境趨好。近年來，筆記本電腦、數碼相機和其它IT產品的生產基地大規(guī)模向中國轉移，中國已經成為世界IT產品的生產基地；加之“十一五”規(guī)劃已經明確要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業(yè)的發(fā)展，未來有利于集成電

16、路產業(yè)發(fā)展的政策還將繼續(xù)推出；2）下游制造市場的拉動。LCD顯示器、數字電視和汽車電子等產品的快速增長，以與中國3G牌照頒發(fā)與應用的推廣，必將促進中國電源管理芯片市場繼續(xù)保持平穩(wěn)快速的發(fā)展。1.1.21.1.2 直流電源變換器的比較 根據不同的工作原理可將便攜式穩(wěn)壓電源IC分成三類：線性穩(wěn)壓器、開關式電壓調整器與電荷泵式電壓調整器。線性穩(wěn)壓器是因其部調整管工作在線性圍而得名。一般認為線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的漏失電壓Vdif較大，導致電路轉換效率較低。近年來開發(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

17、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，在滿負載電流時只有45mV的極低漏失電壓。當輸入電壓略大于輸出電壓與漏失電壓之和時，即： (1-1)inoutdifVVV選用LDO線性穩(wěn)壓器來調整輸入電壓是一個很不錯的選擇，這時LDO線性穩(wěn)壓器可達到很高的效率，同時滿足極高的性價比。 開關式電壓調整器主要指DC/DC變換器，包括升壓、降壓、升降壓和反相等幾3 / 70種結構。在開關穩(wěn)壓電路中有一個工作在開關狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導通或截止兩種狀態(tài)，因此開關管功耗較小并且與輸入電壓大小無關。隨著

18、芯片集成度的提高，許多新型DC-DC轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容，但這類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。 電荷泵式電壓調整器通過電容上電荷積累效應來產生高于電源的輸出電壓或者負電壓。這種電路的輸出電壓只能取輸入電壓的倍數，雖然使用多個充電泵可獲得其它倍數的輸出電壓，但芯片成本和靜態(tài)功耗也會隨之增加從而限制了它的使用圍。從目前的發(fā)展趨勢看，電荷泵輸出電流越來越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。表表1-11-1三種直流電源調整器的特點比較 類型類型指標指標線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器開關式電壓調整器開關式電壓調整器電荷泵式電壓調整器電荷泵式電壓調整器功能降壓升壓、降壓、反相升壓、反相效

19、率中高高功耗大較小大復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 為了滿足日益復雜的電子產品電源需求，實現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)壓器結合起來，克服這三種電壓調整器各自固有的缺陷，從而達到低噪聲和高效率的最佳組合12。1.1.31.1.3 LDOLDO 線性穩(wěn)壓器的發(fā)展現狀 目前，LDO線性穩(wěn)壓器在國外經過多年的發(fā)展，其技術已經相當成熟。一些國外4 / 70知名的半導體廠商如TI、MAXIM、NS等都有比較完整的LDO產品系列。以NPN、PNP為調整管的LDO市場逐步萎縮；而以PMOS管作為

20、調整管的LDO以其較低的漏失電壓、較小的靜態(tài)電流等優(yōu)勢占領了較大的市場份額；DMOS工藝的LDO在對漏失電壓要求很高的應用中占有一定的份額；BCDMOS工藝的LDO也已有了批量生產3。 與國外相比，國LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。但經過幾年的高速發(fā)展，也有一些電源芯片設計公司推出了比較優(yōu)秀的LDO芯片。例如，國早期從事LDO生產的圣邦微電子生產的SG2001、SG2002以與SG2003系列LDO，足以滿足當前市場上主流電壓、電流的需要；SG2004、SG2011以與SG2012系列產品，則非常適合于大電流負載應用；SGM2007/2006/2005系列RF LDO更適合于手機電源的應用。這

21、些芯片的性能絲毫不亞于國外同類產品，而價格則更適合于當前國市場。1.21.2 LDOLDO 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的飛速發(fā)展給工作效率不高但成本上具有優(yōu)勢的 LDO 線性穩(wěn)壓器帶來了巨大的發(fā)展空間；另一方面便攜式電子產品對低功耗的強烈要求，使得 LDO 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點。因而在這種背景下，有必要深入研究 LDO 電路，通過對各模塊的優(yōu)化設計搭建一款具有低功耗特征的 LDO 系統(tǒng)結構。并且針對這種系統(tǒng)架構設計出專門的頻率補償方案從而保證整體電路的穩(wěn)定性。1.31.3 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

22、一章主要闡述了LDO線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。 第二章簡要介紹了LDO穩(wěn)壓器的結構、工作原理、基本性能指標以與典型的應用電路。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對LDO線性穩(wěn)壓器進行全面分析，研究了系統(tǒng)主要參數的在聯(lián)系與各種折衷關系。從低功耗要求的角度出發(fā)，對各模塊進行優(yōu)化設計，進而確定了所要研究的LDO系統(tǒng)架構。5 / 70 第四章建立了LDO線性穩(wěn)壓器的交流小信號模型，對系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進行了深入的研究。引入了嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償方法，并對嵌套式密勒補償中調零電阻可能存在的位置進行分析，確定了最合適的補償結構從而有效地消除了右半平面零點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 第五章是對LDO穩(wěn)壓器關

23、鍵模塊電路的設計實現。主要包括基準與偏置電路、恒定限流電路和短路保護電路等模塊。 第六章對LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)電路進行全局仿真與分析。 第七章是全文總結，簡單歸納了本文所做的主要工作。6 / 702 2 LDOLDO 線性穩(wěn)壓器的簡介線性穩(wěn)壓器的簡介LDO線性穩(wěn)壓器按其靜態(tài)電流來分，可分為Omni-Power、Micro-Power、Nano-Power三種類型。其中Omni-Power型LDO的靜態(tài)電流在100uA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。本文設計的LDO屬于Nano-Power型，其較

24、小的靜態(tài)電流非常適用于各種手持電子設備產品的應用中。2.12.1 LDOLDO 的結構與工作原理的結構與工作原理 基本的LDO線性穩(wěn)壓器包括誤差放大器、調整元件、基準與偏置電路以與反饋比例電阻網絡，再加上諸如過溫、限流、電池極性反轉等保護電路就構成了一個完整的LDO系統(tǒng)46?；鶞势媚K用來產生一個溫度穩(wěn)定性很高的參考電壓，它為誤差放大器、電路部比較器等提供電壓偏置，并且對LDO穩(wěn)壓器輸出高精度的直流電壓起著十分重要的作用7。未調節(jié)的輸入電壓作為供電電源電壓，基準電壓作為誤差放大器的負相輸入電壓，電阻反饋網絡將輸出電壓進行分壓并得圖圖2-12-1PMOS型LDO穩(wěn)壓器結構圖到反饋電壓，此反饋電

25、壓輸入到誤差比較器的同相端，與負相端的基準電壓進行比較。兩電壓差值通過誤差放大器的放大后直接控制功率調整元件的柵極，通過改變調整元件的導通狀態(tài)來控制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)壓器的基本結構圖。從圖中可以看出由誤差放大器、調整元件和反饋比例電阻網絡構成一個負反饋環(huán)路所以：(2-1)1refoutA VVA(2-2)112FFFRRR其中，為LDO反饋環(huán)路的開環(huán)增益，為反饋比例電阻網絡的反饋系數。在實際電A7 / 70路中由于，所以(2-1)式可以寫成：1A(2-3)121refFFoutrefFVRRVVR由式(2-3)可知，LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓

26、只取決于基準電壓和反饋系數，而與輸入電壓和負載電流的大小無關。2.22.2 LDOLDO 的基本性能指標的基本性能指標2.2.12.2.1 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，也是電子設備設計者選用LDO時首先應考慮的參數。按輸出電壓值可分為固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類型。一般固定輸出電壓LDO線性穩(wěn)壓器是經過設計廠商精密調整，輸出電壓精度也很高。但由于固定輸出電壓數值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應用要求，因此也可以外接反饋比例電阻，通過調節(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，主要有輸入電

27、壓變化引起的輸出變化、負載變化引起的輸出變化、基準LRVLDRV電壓漂移引起的輸出變化、誤差放大器失調引起的輸出變化、反饋比例電refVampV阻阻值漂移引起的輸出變化以與由環(huán)境溫度變化引起的輸出變化，輸出精resVTCV度由下式給出8：ccA (2-4)2222100%LRLDRrefampresTCccoutVVVVVVAV 其中、與對影響較大，因此基準電壓源、誤差放大器與反饋比例refVampVresVccA電阻的拓撲結構在設計時需重點考慮。2.2.22.2.2 漏失電壓與靜態(tài)電流8 / 70 漏失電壓Vdif定義為保證LDO線性穩(wěn)壓器正常工作時對應的輸入輸出電壓間的最小電壓差910，即

28、：(2-5)min,difinoutLDOVVV正常工作它是反映調整管調節(jié)輸出電壓能力的一個重要參數。對采用 PMOS 管作為調整管的電路，漏失電壓為導通電阻 Ron和負載電流 Iout的乘積:(2-6)difonoutVRILDO線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流又叫接地電流，定義為芯片不加負載時，電路正常工作時部消耗的電流，它等于輸入電流與輸出電流之差11，即:(2-7)qinoutIIIoutIinVoutVOUTINGNDLDOoutCesrRqIinIdifV圖圖 2-22-2 漏失電壓與靜態(tài)電流示意圖2.2.32.2.3 功耗與效率LDO線性穩(wěn)壓器的功耗PW為：(2-8)()Wininoutou

29、tinoutoutinqPVIVIVVIVI(2-8)式中，第一項是調整管上產生的功耗，第二項則是芯片靜態(tài)電流功耗，因而LDO的工作效率為12：(2-9)100%()outoutoutqinVIIIV9 / 70式(2-9)說明了LDO線性穩(wěn)壓器的效率與漏失電壓和靜態(tài)電流有關，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。05101520252.53.03.54.04.560708090100時間 （小時）電池電壓（V，三節(jié)堿性電池）效率 （%）電池電壓效率曲線圖圖2-32-3LDO效率與電池輸出電壓的時間關系 在實際應用中，分析效率時還必須清楚：由于電池不是理想電源，它具

30、有輸出電阻，因此供電時它的輸出電壓是逐漸下降的，電池的這種特性是非常有利于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，實際電池的電壓、LDO線性穩(wěn)壓器工作效率與電池工作時間的關系如圖2-3所示。另外，在小負載電流時，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，穩(wěn)壓器的效率將減小一半，因此當設備處于“待機”時靜態(tài)電流將決定電池的使用壽命。2.2.42.2.4 負載調整率與線性調整率 負載調整率表征了穩(wěn)壓器輸出負載大小變化對輸出電壓的影響程度，表征了負載變化而穩(wěn)壓器維持輸出在標稱值上的能力，它定義為：(2-10)()outIout

31、 NOMoutVSVI其中，是標定的輸出電壓值，為負載電流的變化量，為負載電流)(NOMoutVoutIoutV10 / 70變化引起的輸出電壓的變化量。顯然，負載調整率越小越好。 線性調整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對輸出電壓的影響程度，定義為負載一定時穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入電壓相對變化量之比，即：(2-11)()100outVINout NOMVSVV其中，是標定的輸出電壓值，為輸入電壓的變化量，為輸入電壓)(NOMoutVINVoutV變化引起的輸出電壓的變化量。與負載調整率一樣，該指標也是越小越好。2.32.3 LDOLDO 的基本應用的基本應用LDO線性穩(wěn)壓器作為直流電

32、壓轉換器，適用于多種場合的應用。圖2-4所示為LDO的四種典型應用。圖2-4(a)所示電路是一種最常見的AC/DC交流電源電壓經變壓器變?yōu)橹绷麟妷海俳涍^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載變化時穩(wěn)定輸出直流電壓，減小交流噪聲對輸出電壓的影響。 由于各種電池的輸出電壓在工作一段時間后都會下降，為了保證電池輸出電壓的恒定，通常都會在電池輸出端接入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間的推移，也提高了LDO的工作效率。11 / 70LDODCDC-DCLDODCACDC OutputLDOLD

33、OLDOLDOLDODCEN1EN2EN3EN4Output1Output2Output3Output4(a)(b)(c)(d)圖圖2-42-4LDO的典型應用示意圖眾所周知，開關性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時，將產生較大的影響。在開關性穩(wěn)壓器輸出端接入LDO線性穩(wěn)壓器，如圖2-4(c)所示，就可以實現有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯下降。在某些應用中，比如無線電通信設備常只有一組電池供電，但設備中的各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只LDO穩(wěn)壓器供電，如圖2-4(d)

34、所示。為了節(jié)省共用電池的電量，在設備不工作時，LDO穩(wěn)壓器上的使能端可以使LDO進入休眠模式，從而達到省電目的13。12 / 702.42.4 本章小結本章小結本章首先簡要介紹了LDO線性穩(wěn)壓器的基本結構與工作原理。然后，重點說明了LDO的幾組關鍵性能指標，為后續(xù)章節(jié)對LDO進行瞬態(tài)、直流、交流三方面的研究作好鋪墊，最后介紹了LDO穩(wěn)壓器在幾種典型場合下的應用。13 / 703 3 LDOLDO 系統(tǒng)架構的設計考慮系統(tǒng)架構的設計考慮本論文著眼于設計一款低功耗高穩(wěn)定性的LDO線性穩(wěn)壓器，因而必須圍繞低功耗和高穩(wěn)定性兩方面對LDO的各子模塊進行構思設計。本章首先對系統(tǒng)電路進行瞬態(tài)、直流、交流分析，

35、然后根據低功耗的設計需要確定各子模塊的基本結構，進而確定LDO的系統(tǒng)結構。3.13.1 LDOLDO 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)研究主要關注其瞬態(tài)響應，是指輸入電壓、輸出負載階躍變化時引起的輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現象和輸出電壓恢復穩(wěn)定的時間。LDO線性穩(wěn)壓器通常會給低壓數字電路供電，數字電路經常存在各種工作模式之間的開關轉換，這樣當其發(fā)生階躍變化時，LDO的輸出電壓變化圍一定要在標稱圍，才能保證電路的正常工作。同時由于LDO的響應速度決定了負載電路恢復正常工作的能力，因此設計出的LDO線性穩(wěn)壓器應該具有較好的瞬態(tài)特性。圖圖 3-13-1LDO 線性穩(wěn)壓器的負載瞬態(tài)響

36、應圖圖3-1為典型的LDO線性穩(wěn)壓器負載瞬態(tài)響應曲線14。當輸出動態(tài)負載階躍變化時穩(wěn)壓器輸出脈沖值應該是在穩(wěn)壓器閉合環(huán)路響應之前輸出電流對電容的充電電壓值。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 maxV為：(3-1)()()11()O MAXO MAXtr maxesrO MAXESRoutoutIIVtVtIRCC 從(3-1)式可以看到是響應時間、輸出電容等的函數。這里tr maxV1toutC是輸出電壓的變化在輸出電容的ESR電阻上產生的壓降并正比于。閉環(huán)響應esrVesrR時間在典型情況下是由輸出電容Cout、最大負載電流Io(max)和可

37、允許的最大輸出變1t化量確定的1516。但是實際應用中，由于調整管產生的柵極電容影響了誤差放GV14 / 70大器的擺率，從而增大了閉環(huán)響應的時間，其近似表達式為17： (3-2)111GSRparclclsrVttCBWBWI這里是負載階躍變化后調整管柵極電位的改變量，Isr是誤差放大器擺率電GV流。當Isr足夠大時，響應時間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。因此在高速LDO電路的設計中常常需要犧牲功耗，將Isr設置得較大，以加快系統(tǒng)的響應速度。隨著LDO響應負載階躍變化的結束，系統(tǒng)經過調整時間后，輸出電壓重新穩(wěn)2t定，比標稱輸出電壓值減小了，其變化量可以用式(3-3)表示：2V2V (3-3)2(m

38、ax)o regOVRI其中，是LDO系統(tǒng)的閉環(huán)輸出阻抗，是調整管導通電阻減小()倍后o regRVA1的輸出，Io(max)是負載階躍變化量。直觀地在負載瞬態(tài)響應中反映了系統(tǒng)的負載2V調整能力。而調整時間的確定主要依賴于調整管輸出電流驅動輸出電容和旁路電2t容的能力，以與系統(tǒng)開環(huán)頻率響應的相位裕度參數。相位裕度越大，意味著系統(tǒng)越穩(wěn)定，同時調整時間也將越長。當負載由最大值突然階躍到非常小時，系統(tǒng)同樣需要一個響應時間，產生一3t個負向的過沖值，它們的表達式分別為3V (3-4),max,max331LLesresroutboutbclIIVtVVCCCCBW (3-5)31cltBW比較式(3-

39、2)和(3-5)，上面兩式中比更小，這主要是因為當負載階躍變小時，3t1t調整管柵極寄生電容對響應時間的貢獻可以忽略不計，使只等于系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的3t15 / 70倒數，這樣也使過沖值比更小一些。3Vtr maxVLDO響應時間結束后，調整管隨之關閉，輸出電壓的改變量下降到，然后經4V過時間調整，LDO穩(wěn)定輸出。此時，輸出電壓的調整將主要取決于LDO系統(tǒng)的輸出4t電容參數，即： (3-6)43esrVVV (3-7)1444outbFoutbpull downrefCCRCCtVVIV其中，為LDO分壓網絡流過的小電流，是反饋比例電阻網絡的電阻之一。pull downI1FR由以上的分析可以看到

40、附加的高頻旁路電容(低ESR)減小了負載瞬態(tài)響應的峰值，即和。這是因為負載階躍時，會由首先提供部分電流來滿足階躍輸出電tr maxV3VoutC壓的改變，此時附加的同樣可以提供部分電流，這樣相當于減緩了提供電流bCoutC變化而造成電壓下降的強度。從上面的分析可以得出結論：在LDO線性穩(wěn)壓器中，主要由系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、輸出電容和負載電流這幾個因素決定負載電流階躍引起輸出電壓變化的幅度和響應時間。輸出電壓最大變化量是系統(tǒng)閉環(huán)帶寬和擺率的函數，而帶寬和擺率又受電路靜態(tài)電流的嚴格限制。因為帶寬的增加，需要寄生極點對應頻率也相應增加，這樣就需要增大靜態(tài)電流而減小寄生極點的阻抗。因此，就要犧牲功耗，增大誤

41、差放大器的靜態(tài)電流，以獲得較快的響應速度。另外，擺率的提高，也需要增大誤差放大器的輸出級電路的偏置電流，以提供更強的驅動電流，驅動調整管柵極寄生節(jié)點的大電容。所以系統(tǒng)的低功耗設計和負載瞬態(tài)響應是矛盾的，在設計LDO穩(wěn)壓器時要折衷考慮這兩者的關系。3.23.2 LDOLDO 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，應該重點考慮系統(tǒng)電路的負載調整率和線性調整率這兩項指標，它們都是靜態(tài)參數，在分析時可以不考慮電路中的儲能元件18。16 / 703.2.13.2.1 負載調整率的研究假設某一時刻輸出電流變化，由此引起的輸出電壓變化為：oI (3-8)outooutVIR 對

42、于由調整管、誤差放大器和反饋比例電阻構成的閉合回路來說，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為：outV(3-9)112FsoutFFRVVRR它經過誤差放大器和調整管的放大后對輸出電流的影響變?yōu)椋?3-10)112FosmampoutmampoaFFRIVggVggRRR 由(3-10)式得：(3-11)1211outFFoutmampoaFVRRIggRR從上式就可以得知負載調整率與系統(tǒng)電路的開環(huán)增益成反比，系統(tǒng)的直流增益越大，LDO穩(wěn)壓器的負載調整率就越好。3.2.23.2.2 線性調整率的研究假設調整管的導通電阻為，穩(wěn)壓器輸出端除外的等效電阻為，由輸入onRonRzR電壓

43、變化引起的輸出電壓變化為，那么輸出電壓可以表示為：outVzoutinoutzonRVVVRR()zinzsrefmampoazonRVR VVggRRR17 / 70112zFinmampoazrefoutzoamampzonFFRRVggR RVVR R ggRRRR(3-12)1121zinmampoazrefzonFzoamampFFRVggR RVRRRR R ggRR由于，所以(3-12)式可以寫成：1zmampR gg(3-13)121211()inFFFFoutrefFmampoazonFVRRRRVVRggRRRR(3-13)式中等號右邊第一項是由輸入電壓變化引起的輸出電壓關

44、系式，第二項是輸出電壓與基準電壓的關系式。因此，輸入輸出電壓關系為：(3-14)1211()outFFinFmampoazonVRRVRggRRR和負載調整率一樣，只要提高了反饋環(huán)路的開環(huán)增益就可以減小電壓調整率。3.33.3 LDOLDO 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，主要關注系統(tǒng)電路的電源抑制比PSRR以與系統(tǒng)的環(huán)路增益、穩(wěn)定性等問題。由于系統(tǒng)的環(huán)路增益和穩(wěn)定性將在第四章專門研究，所以本節(jié)只對LDO的電源抑制比指標進行分析。LDO線性穩(wěn)壓器的PSRR特性反映了輸出電壓對輸入噪聲和紋波的抑制能力。圖3-2是對PMOS型LDO做PSRR分析時的簡化交流小信號模型19

45、，可以推出LDO的電源抑制比為： (3-15)21221( )( )()()gspgdpmpgdpmpoutinoutgspgdpmpgdpgspoutmpmas CCsg Cg GVsPSRRVss CCCs g CG CGCgg+=+圖圖 3-23-2 PMOS 型 LDO 的 PRSS 分析簡化交流小信號模型由(3-15)式可知，LDO的PSRR直流增益、零極點分別為：18 / 70(3-16) (3-1001maOTAGPSRRgA112mpPSRROTAgdpgGZBWCG-= -= -17) (3-18)2mpPSRRgspgZC-= - (3-19)121mpmamaPSRRLD

46、OmpgdpgspgdpgdpgggPGBWg CG CGCC (3-20)212()mpgdpgspoutPSRRoutgspgdpg CG CGCPCCC 其中：、，、BWOTA、GBWLDO分別為誤差放大器的直流11()oaGR12()outGR(0)OTAAV增益、帶寬以與LDO的增益帶寬積。通過PSRR的零極點分析，可以得出以下結論：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，低頻段的(0)OTAAVPSRR特性越好；但是高增益的放大器將會使單位增益頻率變大，可能導致負反饋環(huán)路穩(wěn)定性變差，因而需要與穩(wěn)定性同步考慮；2）PSRR的第一個零點Z1和第一個極點P1分別與放

47、大器的帶寬、環(huán)路的增益帶寬積成正比，它們應盡可能靠近，但它們同樣對環(huán)路的穩(wěn)定性起著相反的作用； 3）PSRR的第二個極點P2與輸出電容Cout成反比，雖然增大輸出電容可以將該極點向前推，獲得較好的PSRR特性，但該方法同樣可能會導致整個環(huán)路的不穩(wěn)定，因此在利用此方法改善PSRR時必須同時考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，大尺寸的電容也會增加系統(tǒng)成本。3.43.4 LDOLDO 子模塊的設計考慮子模塊的設計考慮3.4.13.4.1 調整管的設計考慮 目前市場上主要有雙極型和 MOS 型兩種 LDO 線性穩(wěn)壓器。雙極器件開發(fā)早、工藝相對成熟、穩(wěn)定，用雙極工藝可以制造出速度高、驅動能力強、模擬精度高的器件，適

48、用于高精度的模擬集成電路。但其功耗大，集成度低，無法滿足集成規(guī)模越19 / 70來越大的系統(tǒng)集成要求。而且為了防止雙極型調整管進入飽和狀態(tài)而降低輸出能力，輸入輸出之間必須維持一定的壓差，因而無法提高電源轉換效率；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，寬的電源電壓圍以與較寬的輸出電壓幅度。最重要的是 MOS 型線性穩(wěn)壓器的調整管是電壓驅動的，能大大降低器件消耗的靜態(tài)電流；而且其較小的導通阻抗使得漏失電壓比較低，從而提高了電源的轉換效率。新一代的 LDO 都是用 CMOS 工藝生產的，它和使用 Bipolar 工藝生產的LDO 功能上沒有太大的區(qū)別，而靜態(tài)電流、轉換效率、

49、噪音抑制等在性能卻有很大的提高20。3.4.1.1 調整管類型的選擇 集成穩(wěn)壓器曾先后采用了NPN達林頓管、NPN、PNP、NMOS和PMOS管作為調整管器件，下面分別對其進行簡單介紹21。（a）達林頓NPN結構（b）NPN結構（c）PNP結構（d）PMOS管結構（e）NMOS管結構圖圖3-33-3 幾種類型的LDO調整管圖3-3(a)所示為NPN達林頓管結構的調整管，由兩個NPN管和一個PNP管構成。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應大于兩個PN結正向導通壓降與PNP飽和壓降之和，即： (3-21)()21.5difcebeVVsatVV圖3-3(b)所示為NPN結構的調整管，由一個NPN管和

50、一個PNP管組成。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應大于一個PN結正向導通壓降與PNP飽和壓降之和，即： (3-22)()0.8difcebeVVsatVV20 / 70以上兩種結構的調整管穩(wěn)壓器具有相對較小的靜態(tài)電流，因為調整管NPN管的驅動電流由PNP管的集電極電流注入，驅動電流直接經過大調整管NPN管放大輸出給了負載。但相對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結構的調整管。這種結構的LDO最大優(yōu)點是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 0.4difceVVsatV調整管的靜態(tài)電流直接

51、取決于PNP調整管的增益和負載電流Io，即： (3-24)/drvoII其中是晶體管電流增益，其值一般在20500之間。當負載電流Io增加時，基極驅動電流Idrv也隨之增大。但由于Idrv不是輸出到負載，而是直接輸出到地，所以采用PNP作為調整管的線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流相對較大。以PNP管為調整管還有另一個缺點，就是當電路進入非穩(wěn)壓區(qū)域(dropout region)的時候，它往往也會進入飽和狀態(tài)，造成PNP晶體的電流增益值下降。此時，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電流。如果系統(tǒng)的電流供應能力不足，穩(wěn)壓器甚至無常啟動。 圖3-3(d)、(e)為MOS型調整

52、管，由于它是壓控元件，所以在輸出電流增加時不會要求相應的柵極驅動電流增加，而且MOS管的柵極阻抗極大，其柵極電流可以忽略不計。加之MOS管的導通電阻較小，因此這種結構的穩(wěn)壓器具有較小的漏失電壓。表表 3-13-1 幾種結構調整管的性能比較總之，NPN達林頓結構的穩(wěn)壓器由于其低價大驅動能力的特點比較適合應用于交流供 類型類型參數參數達林頓管達林頓管NPNNPNPNPPNPPMOSPMOS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21 / 70電的設備中；PNP結構的穩(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用

53、于手持設備的電路中；NMOS結構的調整管雖然具有低導通阻抗，但其柵極需要增加額外的電荷泵電路來驅動，從而限制了在LDO穩(wěn)壓器中的廣泛應用。通過比較上述五種結構，為實現線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效率的特點，選用PMOS管作為調整管是最佳的方案。3.4.1.2 PMOS調整管尺寸的選擇PMOS調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。作為輸入端向負載提供輸出電流的通道，調整管的寬長比越大，驅動負載的能力就越強。又由于PMOS調整管結構的LDO線性穩(wěn)壓器，其漏失電壓正比于PMOS管的導通電阻，因此調整管較大的寬長比也會降低漏失電壓從而提高電源的轉換效率。但如果一味地增大調整管的寬

54、長比，其柵極寄生電容Cpar也會增加，造成誤差放大器擺率的降低；同時使相應的寄生極點左移，減小相位裕度，從而可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且，過大尺寸的調整管給版圖設計也帶來了諸多問題。比如，連接線的線電阻和線電容、過大的線電流密度、熱耗散功率、版圖部寄生效應等。反之，如果調整管寬長比過小，就會造成負載能力較弱，不能提供要求的輸出電流，還可能使得調整管在較低的輸入電壓、大負載條件下較早地進入線性區(qū)，從而影響穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應特性。因此，應該綜合以上因素為調整管選擇適當的寬長比。3.4.23.4.2 誤差放大器的設計考慮誤差放大器是LDO線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是用來將反饋電壓Vfb和基準電壓Vref進行

55、比較放大，輸出到調整管的柵極，通過調節(jié)功率管的工作狀態(tài)，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。誤差放大器的設計參數主要包括：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LDO電路的系統(tǒng)特征并結合本論文的低功耗設計要求，通過對各種結構誤差放大器的分析來確定最終的拓撲結構。 首先，誤差放大器的直流增益與LDO的負載調整率、線性調整率成反比，從這個方面就要求誤差放大器的直流增益越大越好；但過大的低頻增益會展寬LDO電路的帶寬，將高頻寄生極點包含在單位增益頻率，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。使用一級誤差放大器結構的LDO，由于低頻增益不夠大，所以其直流22 / 70參數不

56、會太好；而使用三級或三級以上結構的誤差放大器，不僅增大了結構對地的支路電流，而且使系統(tǒng)的頻率補償方案復雜化。因此，本文將放大器的結構鎖定在二級放大結構或共源共柵結構的運放上。 其次，由于電源電壓隨著半導體工藝的進步而逐漸減小，雖然共源共柵結構的運放比簡單的二級運放少一條對地電流，但其本身的結構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構定為簡單的二級級聯(lián)放大器上。最后來權衡在誤差放大器與調整管之間是否應該增加緩沖級。一些研究表明由于調整管的尺寸較大，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，從而在調整管的柵極出現一個中低頻極點 P12324。如

57、果增加了緩沖級，那么原來的中低頻極點 P1可以分裂為兩個較高頻率的極點 P2和 P3，分別為：(3-25)212parbufPCR(3-26)312oaoaPC R 其中、分別為調整管柵極和誤差放大器等效輸出電容；、分別為parCoaCbufRoaR緩沖級和誤差放大器等效輸出電阻。這樣通過緩沖級就可以避免采用較大的輸出電容補償P1，而且系統(tǒng)的負載瞬態(tài)響應特性也會得到較大的改善。但是從低功耗設計的角度出發(fā)，增加緩沖級就增大了電路的靜態(tài)電流，而且緩沖級還會造成誤差放大器輸出電壓一個Vgs的損失，從而使調整管不能完全的導通或截止。23 / 70AMPrefVfbVoutVccVbiasV1FR2FR

58、pM1M2MccV(a)AMPrefVfbVoutVbiasV1FR2FRpM1M2M(b)圖圖 3-43-4 帶緩沖級 LDO 電路示意圖 圖3-4(a)、(b)所示分別為使用NMOS和PMOS管源跟隨結構的LDO電路。前者使誤差放大器的輸出電壓減小了一個柵源差，從而造成了調整管不能完全關斷；后者則使誤差放大器的輸出電壓增大了一個柵源差，從而造成了調整管不能完全導通。此外，隨著負載電流的增大，還可能使誤差放大器的輸出級晶體管從飽和區(qū)進入線性區(qū)。因此，本文設計的LDO不采用緩沖級結構作為誤差放大器的輸出。3.4.33.4.3 基準電路的設計考慮 LDO線性穩(wěn)壓器電路部需要高性能的基準電壓源，為

59、誤差放大器等模塊提供穩(wěn)定的偏置電壓。它是LDO穩(wěn)壓器的核心模塊之一，是影響穩(wěn)壓器輸出電壓精度最主要的因素之一。基準電壓的漂移主要包括兩部分：一是溫度變化引起的基準漂移；二是工藝模型變化引起的基準漂移25。下面將這兩種漂移綜合考慮：假設基準電壓隨溫度和模型變化總的漂移為，由它引起的輸出電壓的變化量為refV，則：,o refV(3-27),()outo refmaoampoutfbrefrefVVgR gRVVV反饋電壓為：(3-28)1,12()Ffbouto refFFRVVVRR聯(lián)合式(3-27)、(3-28)，可得：24 / 701,12()()Fouto refmaoampoutout

60、o refrefrefFFRVVgR gRVVVVRR(3-29)12112()()()FFmaoampoutrefrefFmaoampoutFFRRgR gRVVR gR gRRR由于，所以：1maoampoutgR gR(3-30)1,12()Fouto refrefrefFFRVVVVRR上式右邊可以分成兩部分，一部分是額定輸出電壓：(3-31)112FoutrefFFRVVRR另一部分為基準漂移引起的輸出電壓變化：(3-32)1,12()Fo refrefFFRVVRR聯(lián)合以上二式可得：(3-33),o refrefoutrefVVVV 式(3-33)表明，輸出電壓的變化直接受基準電壓