LDO线性稳压器设计毕业论文

1、ldo 线性稳压器设计毕业论文 摘 要 随着电源管理ic技术的不断发展，高性能低成本的电源管理芯片越来越受到用 户的青睐。ldo线性稳压器以其低噪声、高电源抑制比、微功耗和简单的外围电路 结构等优点而被广泛应用于各种直流稳压电路中。为适应电源市场发展的需要，结 合ldo系统自身特点，设计了一款低功耗、高稳定性ldo线性稳压器。 本文首先简要介绍了ldo线性稳压器的工作原理与基本性能指标。其次，从瞬 态、直流、交流三方面对系统结构进行深入研究，阐述ldo稳压器的设计要点与各 种参数的折衷关系。随后从低功耗设计的角度出发，对各子模块结构进行优化，从 而确立最终的系统架构。通过建立ldo电路的交流小

2、信号模型，计算得到系统的环 路增益并由此推出电路中零极点的分布位置从而获得研究系统稳定性问题的途径。 针对文中采用的两级级联误差放大器直接驱动调整管栅极的拓扑结构，引入嵌套式 密勒补偿和动态零点补偿两种方法来保证系统的稳定性要求。讨论了嵌套式密勒补 偿中调零电阻可能存在的位置，确定最合适的补偿结构从而有效地消除了右半平面 零点对系统稳定性的影响。最后分析了各子模块电路的结构与工作原理，并给出了 ldo系统模块与整体仿真的结果与分析。 电路设计采用了csmc 0.6um cmos工艺模型，对ldo稳压器在不同的模型、 输入电压、温度组合下进行前仿真验证。结果表明：电路不带负载的静态电流为 1.7

3、9 ua，系统带宽几乎不随负载变化，在输出电流范围内能保证较好的稳定性。 关键词：关键词：线性稳压器，低压差，嵌套式密勒补偿，动态零点补偿，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 录 摘 要.(i) abstract.(ii) 1 绪论绪论 1.1 ldo 线性稳压器的研究意义.(1) 1.2 ldo 线性稳压器的研究目的.(4) 1.3 论文章节安排.(4) 2 ldo 线性稳压器的简介线性稳压器的简介 2.1 ldo 的结构与工作原理.(6) 2.2 ldo 的基本性能指标.(7) 2.3 ldo 的基本应用.(10) 2.4 本章小结.(12) 3 ldo 系统架构的设计考虑 3.1 ldo 系统电路的瞬态研究.(13) 3.2 ldo 系统电路的直流研究.(16) 3.3 ldo 系

11、统电路的交流研究.(17) 3.4 ldo 子模块的设计考虑.(19) 3.5 本章小结.(25) 4 ldo 稳定性研究与补偿方式的确定 4.1 ldo 环路增益的建模.(27) 4.2 传统 esr 电阻补偿.(29) 4.3 ldo 补偿方式的优化.(34) 4.4 本章小结.(43) 5 模块电路的实现与仿真 5.1 基准与偏置电路的设计.(44) 5.2 恒定限流电路的设计.(47) 5.3 foldback 电路的设计 .(50) 5.4 本章小结.(54) 6 ldo 整体电路仿真与分析 6.1 瞬态仿真与分析.(55) 6.2 直流仿真与分析.(56) 6.3 交流仿真与分析.

12、(58) 6.4 本章小结.(59) 7 全文总结.(61) 致 谢.(63) 参考文献.(64) 1 绪绪 论论 半导体工艺技术的提高及便携式电子产品的普及促使电源管理ic有了长足的发 展。ldo(low-drop-out)线性稳压器作为较早应用于电子设备中的一种电源管理电路， 以其电路结构简单、占用芯片面积小、高纹波抑制比、低噪声等优点，牢固地占据 着电源管理ic市场的一席之地。本章首先介绍电源管理ic的发展趋势，比较几种直 流稳压电路的优缺点，然后阐述了ldo线性稳压器国内外的发展现状，指出电路低 功耗设计的需要，进而引出研究ldo电路的意义与目的，最后提出本文的结构与主 要内容。 1.

13、1 ldo 线性稳压器的研究意义线性稳压器的研究意义 1.1.1 电源管理 ic 的发展趋势 近年来，各种便携式电子产品的普及与产品功能的丰富，对电源管理ic提出了 诸如高集成度、高性价比、高效率等要求。随着半导体技术的飞速发展，电源管理 技术也在不断进步。目前便携设备的电源管理技术正朝着电源管理与系统整合的方 向发展，主要呈现出以下三大发展趋势： 一是尽可能提高电池功率转换效率。电源管理ic供应商目前主要利用先进的半 导体工艺，如美国国家半导体(ns)采用其“低电压低功耗cmos工艺” ，来减小静态 电流，提高转换效率。 二是最大限度地提高负载器件的功率利用效率。过去电源管理ic供应一直将关

14、 注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载器件分配不同的功率。但现在 发现负载器件的功率消耗也是一个充满潜力可挖的管理课题。比如，负载器件在不 同工作负荷下不必一律让其处于全速运行状态；再如，负载器件在待机和工作状态 下不必供应同样的功率。只要管理得好，这也可成为延长电池工作寿命的一大重要 因素。美国国家半导体公司的自适应电压调整(avs)技术和ti的动态电压与频率调 整(dvfs)技术就是为了满足这一功率管理挑战而提出的解决办法。 三是减小器件的体积，进一步提高集成度，并采用更先进的封装技术，如 csp、llp和micro smd等。 与世界其它地区相比，中国的电源管理芯片市场始终保持

15、着快速的发展态势。 2006年，中国电源管理芯片销售额达到了267亿元。随着全球制造业进一步向中国的 转移，预计到2010年，中国将成为世界上最大的电源芯片需求市场，销售额预计将 达到735亿元人民币。从应用领域来看，国内电源管理芯片市场主要分布在消费电子、 网络通信、计算机和工业控制等领域。赛迪顾问预测，20062010年中国电源管理 芯片市场规模复合增长率将达28.8%，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃 的产品之一。未来几年，由于以下因素的影响，国内电源管理芯片市场还将继续保 持快速发展的势头：1）半导体产业环境趋好。近年来，笔记本电脑、数码相机和其 它it产品的生产基地大规模向中

16、国转移，中国已经成为世界it产品的生产基地；加 之“十一五”规划已经明确要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展， 未来有利于集成电路产业发展的政策还将继续推出；2）下游制造市场的拉动。lcd 显示器、数字电视和汽车电子等产品的快速增长，以及中国3g牌照颁发与应用的推 广，必将促进中国电源管理芯片市场继续保持平稳快速的发展。 1.1.2 直流电源变换器的比较 根据不同的工作原理可将便携式稳压电源ic分成三类：线性稳压器、开关式电 压调整器及电荷泵式电压调整器。线性稳压器是因其内部调整管工作在线性范围而 得名。一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的漏失电压vdif较大，导致 电路

17、转换效率较低。近年来开发出的ldo线性稳压器与传统的线性稳压器相比，它 的最大优点是输入输出间的漏失电压差很低，只有几百毫伏，某些输出小电流的 ldo线性稳压器其压差仅几十毫伏。如凌特公司(linear technology)推出的输入电压 可低至1.7v最大输出电流为300ma的ldo线性稳压器，在满负载电流时只有45mv的 极低漏失电压。当输入电压略大于输出电压与漏失电压之和时，即： (1-1) inoutdif vvv 选用ldo线性稳压器来调整输入电压是一个很不错的选择，这时ldo线性稳压器可 达到很高的效率，同时满足极高的性价比。 开关式电压调整器主要指dc/dc变换器，包括升压、降

18、压、升降压和反相等 几种结构。在开关稳压电路中有一个工作在开关状态的晶体管，工作于饱和导通或 截止两种状态，因此开关管功耗较小并且与输入电压大小无关。随着芯片集成度的 提高，许多新型dc-dc转换器的外围电路仅需电感和滤波电容，但这类电源控制器 的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。 电荷泵式电压调整器通过电容上电荷积累效应来产生高于电源的输出电压或者 负电压。这种电路的输出电压只能取输入电压的倍数，虽然使用多个充电泵可获得 其它倍数的输出电压，但芯片成本和静态功耗也会随之增加从而限制了它的使用范 围。从目前的发展趋势看，电荷泵输出电流越来越大，因而常被选作系统的主电源。 表表1-11-1

19、三种直流电源调整器的特点比较 类型类型 指标指标 线性稳压器线性稳压器开关式电压调整器开关式电压调整器电荷泵式电压调整器电荷泵式电压调整器 功能降压升压、降压、反相升压、反相 效率中高高 功耗大较小大 复杂度低中到高中 尺寸小较大较大 成本低较高较低 波纹/噪声低较高高 为了满足日益复杂的电子产品电源需求，实现更高效率的电源变换，新一代高 性能的电源管理方案将dc-dc变换器与ldo线性稳压器，或是将电荷泵与ldo线性 稳压器结合起来，克服这三种电压调整器各自固有的缺陷，从而达到低噪声和高效 率的最佳组合12。 1.1.3 ldo 线性稳压器的发展现状 目前，ldo线性稳压器在国外经过多年的发

20、展，其技术已经相当成熟。一些国 外知名的半导体厂商如ti、maxim、ns等都有比较完整的ldo产品系列。以 npn、pnp为调整管的ldo市场逐步萎缩；而以pmos管作为调整管的ldo以其较低 的漏失电压、较小的静态电流等优势占领了较大的市场份额；dmos工艺的ldo在 对漏失电压要求很高的应用中占有一定的份额；bcdmos工艺的ldo也已有了批量 生产3。 与国外相比，国内ldo线性稳压器的研究起步较晚。但经过几年的高速发展， 也有一些电源芯片设计公司推出了比较优秀的ldo芯片。例如，国内早期从事ldo 生产的圣邦微电子有限公司生产的sg2001、sg2002以及sg2003系列ldo，足

21、以满 足当前市场上主流电压、电流的需要；sg2004、sg2011以及sg2012系列产品，则非 常适合于大电流负载应用；sgm2007/2006/2005系列rf ldo更适合于手机电源的应 用。这些芯片的性能丝毫不亚于国外同类产品，而价格则更适合于当前国内市场。 1.2 ldo 线性稳压器的研究目的线性稳压器的研究目的 从以上分析可以看出一方面电源管理芯片市场的飞速发展给工作效率不高但成 本上具有优势的 ldo 线性稳压器带来了巨大的发展空间；另一方面便携式电子产品 对低功耗的强烈要求，使得 ldo 稳压器必须具有较小静态电流的特点。因而在这种 背景下，有必要深入研究 ldo 电路，通过对

22、各模块的优化设计搭建一款具有低功耗 特征的 ldo 系统结构。并且针对这种系统架构设计出专门的频率补偿方案从而保证 整体电路的稳定性。 1.3 论文章节安排论文章节安排 本文总共分为七章，其中： 第一章主要阐述了ldo线性稳压器的研究意义与目的。 第二章简要介绍了ldo稳压器的结构、工作原理、基本性能指标以及典型的应 用电路。 第三章从瞬态、直流、交流三方面对ldo线性稳压器进行全面分析，研究了系 统主要参数的内在联系与各种折衷关系。从低功耗要求的角度出发，对各模块进行 优化设计，进而确定了所要研究的ldo系统架构。 第四章建立了ldo线性稳压器的交流小信号模型，对系统电路的稳定性进行了 深入

23、的研究。引入了嵌套式密勒补偿和动态零点补偿方法，并对嵌套式密勒补偿中 调零电阻可能存在的位置进行分析，确定了最合适的补偿结构从而有效地消除了右 半平面零点对系统稳定性的影响。 第五章是对ldo稳压器关键模块电路的设计实现。主要包括基准与偏置电路、 恒定限流电路和短路保护电路等模块。 第六章对ldo稳压器系统电路进行全局仿真及分析。 第七章是全文总结，简单归纳了本文所做的主要工作。 2 ldo 线性稳压器的简介线性稳压器的简介 ldo线性稳压器按其静态电流来分，可分为omni-power、micro-power、nano- power三种类型。其中omni-power型ldo的静态电流在100u

24、a至1ma之间；micro- power型ldo的静态电流在10ua至100ua之间；nano-power型ldo的静态电流则小于 10ua。本文设计的ldo属于nano-power型，其较小的静态电流非常适用于各种手持 电子设备产品的应用中。 2.1 ldo 的结构与工作原理的结构与工作原理 基本的ldo线性稳压器包括误差放大器、调整元件、基准与偏置电路以及反馈 比例电阻网络，再加上诸如过温、限流、电池极性反转等保护电路就构成了一个完 整的ldo系统46。基准偏置模块用来产生一个温度稳定性很高的参考电压，它为误 差放大器、电路内部比较器等提供电压偏置，并且对ldo稳压器输出高精度的直流 电压

25、起着十分重要的作用7。未调节的输入电压作为供电电源电压，基准电压作为误 差放大器的负相输入电压，电阻反馈网络将输出电压进行分压并得 out v l c 2f r 1f r l r cc v mp g fb v 基准与偏 置电路 保护电路 esr r amp 图图2-12-1 pmos型ldo稳压器结构图 到反馈电压，此反馈电压输入到误差比较器的同相端，与负相端的基准电压进行比 较。两电压差值通过误差放大器的放大后直接控制功率调整元件的栅极，通过改变 调整元件的导通状态来控制ldo的输出端从而获得稳定的输出电压值。 图2-1为pmos型ldo线性稳压器的基本结构图。从图中可以看出由误差放大器、

26、调整元件和反馈比例电阻网络构成一个负反馈环路所以： (2-1) 1 ref out a v v a (2-2) 1 12 f ff r rr 其中，为ldo反馈环路的开环增益，为反馈比例电阻网络的反馈系数。在实际a 电路中由于，所以(2-1)式可以写成：1a (2-3) 12 1 ref ff outref f v rr vv r 由式(2-3)可知，ldo稳压器的输出电压只取决于基准电压和反馈系数，而与输入电 压和负载电流的大小无关。 2.2 ldo 的基本性能指标的基本性能指标 2.2.1 输出电压与输出精度 输出电压vout是ldo线性稳压器的重要参数，也是电子设备设计者选用ldo时首

27、先应考虑的参数。按输出电压值可分为固定输出电压和可调输出电压两种类型。一 般固定输出电压ldo线性稳压器是经过设计厂商精密调整，输出电压精度也很高。 但由于固定输出电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求，因此也可 以外接反馈比例电阻，通过调节外接电阻阻值获得需要的输出电压。 ldo线性稳压器的输出电压精度是由多种因素的变化在输出端共同作用的体现， 主要有输入电压变化引起的输出变化、负载变化引起的输出变化、基准 lr v ldr v 电压漂移引起的输出变化、误差放大器失调引起的输出变化、反馈比例电 ref v amp v 阻阻值漂移引起的输出变化以及由环境温度变化引起的输出变化，输出精

28、 res v tc v 度由下式给出8： cc a (2-4) 2222 100% lrldrrefamprestc cc out vvvvvv a v 其中、及对影响较大，因此基准电压源、误差放大器及反馈比例 ref v amp v res v cc a 电阻的拓扑结构在设计时需重点考虑。 2.2.2 漏失电压与静态电流 漏失电压vdif定义为保证ldo线性稳压器正常工作时对应的输入输出电压间的最 小电压差910，即： (2-5) min, difinout ldo vvv 正常工作 它是反映调整管调节输出电压能力的一个重要参数。对采用 pmos 管作为调整管的 电路，漏失电压为导通电阻 r

29、on和负载电流 iout的乘积: (2-6) difonout vri ldo线性稳压器的静态电流又叫接地电流，定义为芯片不加负载时，电路正常 工作时内部消耗的电流，它等于输入电流与输出电流之差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 图图 2-22-2 漏失电压与静态电流示意图 2.2.3 功耗与效率 ldo线性稳压器的功耗pw为： (2-8)() wininoutoutinoutoutinq pvivivvivi (2-8)式中，第一项是调整管上产生的功耗，第二项则是芯片

30、静态电流功耗，因而 ldo的工作效率为12： (2-9)100% () outout outqin vi iiv 式(2-9)说明了ldo线性稳压器的效率与漏失电压和静态电流有关，低漏失电压、小 静态电流则意味着ldo电路具有低功耗、高效率的特点。 0510152025 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 60 70 80 90 100 时间 （小时） 电池电压（v，三节碱性电池） 效率 （%） 电池电压 效率曲线 图图2-32-3 ldo效率与电池输出电压的时间关系 在实际应用中，分析效率时还必须清楚：由于电池不是理想电源，它具有输出 电阻，因此供电时它的输出电压是逐渐下降的，电池的这种

31、特性是非常有利于ldo 线性稳压器工作效率的提高。ldo线性稳压器工作效率是随着电池电压的下降而逐 渐升高的，实际电池的电压、ldo线性稳压器工作效率与电池工作时间的关系如图 2-3所示。另外，在小负载电流时，稳压器的效率将受静态电流的限制，比如输出电 流等于输入电流的一半时，稳压器的效率将减小一半，因此当设备处于“待机”时 静态电流将决定电池的使用寿命。 2.2.4 负载调整率与线性调整率 负载调整率表征了稳压器输出负载大小变化对输出电压的影响程度，表征了负 载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力，它定义为： (2-10) () out i out nomout v s vi 其中，是标定的

32、输出电压值，为负载电流的变化量，为负载电流 )(nomout v out i out v 变化引起的输出电压的变化量。显然，负载调整率越小越好。 线性调整率表征了稳压器输入电压大小变化对输出电压的影响程度，定义为负 载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即： (2-11) () 100 out v inout nom v s vv 其中，是标定的输出电压值，为输入电压的变化量，为输入电压 )(nomout v in v out v 变化引起的输出电压的变化量。与负载调整率一样，该指标也是越小越好。 2.3 ldo 的基本应用的基本应用 ldo线性稳压器作为直流电压转换器

33、，适用于多种场合的应用。图2-4所示为 ldo的四种典型应用。图2-4(a)所示电路是一种最常见的ac/dc交流电源电压经变压 器变为直流电压，再经过ldo得到所需的输出直流电压。在该电路中，ldo线性稳 压器的作用是在交流电源电压或负载变化时稳定输出直流电压，减小交流噪声对输 出电压的影响。 由于各种电池的输出电压在工作一段时间后都会下降，为了保证电池输出电压 的恒定，通常都会在电池输出端接入ldo线性稳压器，如图2-4(b)所示。这样不仅给 后续电路提供稳定的电压，而且随着电池工作时间的推移，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) 图图2-42-4 ldo的典型应用示意图 众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电 压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性 稳压器输出端接入ldo线性稳压器，如图2-4(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也 可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显下降。 在某些应用中，比如无线电通信设备中通常只有一组电池供电，但设备中的各 部分电路常常采用互相隔

35、离的不同电压，因此必须由多只ldo稳压器供电，如图2- 4(d)所示。为了节省共用电池的电量，在设备不工作时，ldo稳压器上的使能端可以 使ldo进入休眠模式，从而达到省电目的13。 2.4 本章小结本章小结 本章首先简要介绍了ldo线性稳压器的基本结构与工作原理。然后，重点说明 了ldo的几组关键性能指标，为后续章节对ldo进行瞬态、直流、交流三方面的研 究作好铺垫，最后介绍了ldo稳压器在几种典型场合下的应用。 3 ldo 系统架构的设计考虑系统架构的设计考虑 本论文着眼于设计一款低功耗高稳定性的ldo线性稳压器，因而必须围绕低功 耗和高稳定性两方面对ldo的各子模块进行构思设计。本章首先

36、对系统电路进行瞬 态、直流、交流分析，然后根据低功耗的设计需要确定各子模块的基本结构，进而 确定ldo的系统结构。 3.1 ldo 系统电路的瞬态研究系统电路的瞬态研究 ldo线性稳压器的瞬态研究主要关注其瞬态响应，是指输入电压、输出负载阶 跃变化时引起的输出电压的瞬态脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间。ldo线性稳 压器通常会给低压数字电路供电，数字电路经常存在各种工作模式之间的开关转换， 这样当其发生阶跃变化时，ldo的输出电压变化范围一定要在标称范围内，才能保 证电路的正常工作。同时由于ldo的响应速度决定了负载电路恢复正常工作的能力， 因此设计出的ldo线性稳压器应该具有较好的瞬态特性。

37、 输出电压（v） 时间 （s） 1 t 2 t 4 t 2 v out v load i 3 v 4 v tr max v 3 t 图图 3-13-1 ldo 线性稳压器的负载瞬态响应图 图3-1为典型的ldo线性稳压器负载瞬态响应曲线14。当输出动态负载阶跃变化 时稳压器输出脉冲值应该是在稳压器闭合环路响应之前输出电流对电容的充电电压 值。比如输出电流iout从0跳变到最大输出电流io(max)，那么输出最大下降脉冲 tr max v 为： (3-1) ()() 11() o maxo max tr maxesro maxesr outout ii vtvtir cc 从(3-1)式可以看到

38、是响应时间、输出电容等的函数。这里是 tr max v 1 t out c esr v 输出电压的变化在输出电容的esr电阻上产生的压降并正比于。闭环响应时间 esr r 在典型情况下是由输出电容cout、最大负载电流io(max)和可允许的最大输出变化量 1 t 确定的1516。但是实际应用中，由于调整管产生的栅极电容影响了误差放大器 g v 的摆率，从而增大了闭环响应的时间，其近似表达式为17： (3-2) 1 11 g srpar clclsr v ttc bwbwi 这里是负载阶跃变化后调整管栅极电位的改变量，isr是误差放大器摆率电流。 g v 当isr足够大时，响应时间主要由系统闭

39、环带宽决定。因此在高速ldo电路的设计中 常常需要牺牲功耗，将isr设置得较大，以加快系统的响应速度。 随着ldo响应负载阶跃变化的结束，系统经过调整时间后，输出电压重新稳 2 t 定，比标称输出电压值减小了，其变化量可以用式(3-3)表示： 2 v 2 v (3-3) 2(max)o rego vri 其中，是ldo系统的闭环输出阻抗，是调整管导通电阻减小()倍后 o reg r v a1 的输出，io(max)是负载阶跃变化量。直观地在负载瞬态响应中反映了系统的负载 2 v 调整能力。而调整时间的确定主要依赖于调整管输出电流驱动输出电容和旁路电 2 t 容的能力，以及系统开环频率响应的相位

40、裕度参数。相位裕度越大，意味着系统越 稳定，同时调整时间也将越长。 当负载由最大值突然阶跃到非常小时，系统同样需要一个响应时间，产生一 3 t 个负向的过冲值，它们的表达式分别为 3 v (3-4) ,max,max 33 1 ll esresr outboutbcl ii vtvv ccccbw (3-5) 3 1 cl t bw 比较式(3-2)和(3-5)，上面两式中比更小，这主要是因为当负载阶跃变小时， 3 t 1 t 调整管栅极寄生电容对响应时间的贡献可以忽略不计，使只等于系统闭环带宽的 3 t 倒数，这样也使过冲值比更小一些。 3 v tr max v ldo响应时间结束后，调整管

41、随之关闭，输出电压的改变量下降到，然后经 4 v 过时间调整，ldo稳定输出。此时，输出电压的调整将主要取决于ldo系统的输 4 t 出电容参数，即： (3-6) 43esr vvv (3-7) 1 444 outbf outb pull downref ccrcc tvv iv 其中，为ldo分压网络流过的小电流，是反馈比例电阻网络的电阻之一。 pull down i 1f r 由以上的分析可以看到附加的高频旁路电容(低esr)减小了负载瞬态响应的峰值，即 和。这是因为负载阶跃时，会由首先提供部分电流来满足阶跃输出电 tr max v 3 v out c 压的改变，此时附加的同样可以提供部分

42、电流，这样相当于减缓了提供电流 b c out c 变化而造成电压下降的强度。 从上面的分析可以得出结论：在ldo线性稳压器中，主要由系统的闭环带宽、 输出电容和负载电流这几个因素决定负载电流阶跃引起输出电压变化的幅度和响应 时间。输出电压最大变化量是系统闭环带宽和摆率的函数，而带宽和摆率又受电路 静态电流的严格限制。因为带宽的增加，需要寄生极点对应频率也相应增加，这样 就需要增大静态电流而减小寄生极点的阻抗。因此，就要牺牲功耗，增大误差放大 器的静态电流，以获得较快的响应速度。另外，摆率的提高，也需要增大误差放大 器的输出级电路的偏置电流，以提供更强的驱动电流，驱动调整管栅极寄生节点的 大电

43、容。所以系统的低功耗设计和负载瞬态响应是矛盾的，在设计ldo稳压器时要 折衷考虑这两者的关系。 3.2 ldo 系统电路的直流研究系统电路的直流研究 在ldo线性稳压器的直流研究中，应该重点考虑系统电路的负载调整率和线性 调整率这两项指标，它们都是静态参数，在分析时可以不考虑电路中的储能元件18。 3.2.1 负载调整率的研究 假设某一时刻输出电流变化，由此引起的输出电压变化为： o i (3-8) outoout vir 对于由调整管、误差放大器和反馈比例电阻构成的闭合回路来说，输出电压变化 被采样反馈给误差放大器输入端的电压信号为： out v (3-9) 1 12 f sout ff r

44、 vv rr 它经过误差放大器和调整管的放大后对输出电流的影响变为： (3-10) 1 12 f osmampoutmampoa ff r ivggvggr rr 由(3-10)式得： (3-11) 12 1 1 outff outmampoaf vrr iggrr 从上式就可以得知负载调整率与系统电路的开环增益成反比，系统的直流增益越大， ldo稳压器的负载调整率就越好。 3.2.2 线性调整率的研究 假设调整管的导通电阻为，稳压器输出端除外的等效电阻为，由输入 on r on r z r 电压变化引起的输出电压变化为，那么输出电压可以表示为： 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)式可以写成：1 zmamp r gg (3-13) 1212 11 () inffff outref fmampoazonf vrrrr vv rggrrrr (3-13)式中等号右边第一项是由输入电压变化引起的输出电压关系式，

46、第二项是输出 电压与基准电压的关系式。因此，输入输出电压关系为： (3-14) 12 1 1 () outff infmampoazon vrr vrggrrr 和负载调整率一样，只要提高了反馈环路的开环增益就可以减小电压调整率。 3.3 ldo 系统电路的交流研究系统电路的交流研究 在ldo的交流分析中，主要关注系统电路的电源抑制比psrr以及系统的环路增 益、稳定性等问题。由于系统的环路增益和稳定性将在第四章专门研究，所以本节 只对ldo的电源抑制比指标进行分析。 ldo线性稳压器的psrr特性反映了输出电压对输入噪声和纹波的抑制能力。 图3-2是对pmos型ldo做psrr分析时的简化交

47、流小信号模型19，可以推出ldo的电 源抑制比为： (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 图图 3-23-2 pmos 型 ldo 的 prss 分析简化交流小信号模型 由(3-15)式可知，ldo的psrr直流增益、零极点分别为： (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分别为误差放大器的 1 1 () oa gr 1 2 () out gr (0) ota av 直流增益、带

49、宽以及ldo的增益带宽积。通过psrr的零极点分析，可以得出以下结 论： 1）误差放大器的直流增益决定了低频段的psrr，直流增益越高，低(0) ota av 频段的psrr特性越好；但是高增益的放大器将会使单位增益频率变大，可能导致负 反馈环路稳定性变差，因而需要与稳定性同步考虑； 2）psrr的第一个零点z1和第一个极点p1分别与放大器的带宽、环路的增益带宽 积成正比，它们应尽可能靠近，但它们同样对环路的稳定性起着相反的作用； 3）psrr的第二个极点p2与输出电容cout成反比，虽然增大输出电容可以将该极 点向前推，获得较好的psrr特性，但该方法同样可能会导致整个环路的不稳定，因 此在

50、利用此方法改善psrr时必须同时考虑系统的稳定性。此外，大尺寸的电容也会 增加系统成本。 3.4 ldo 子模块的设计考虑子模块的设计考虑 3.4.1 调整管的设计考虑 目前市场上主要有双极型和 mos 型两种 ldo 线性稳压器。双极器件开发早、 工艺相对成熟、稳定，用双极工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的 器件，适用于高精度的模拟集成电路。但其功耗大，集成度低，无法满足集成规模 越来越大的系统集成要求。而且为了防止双极型调整管进入饱和状态而降低输出能 力，输入输出之间必须维持一定的压差，因而无法提高电源转换效率；mos 型器件 有极低的静态功耗，并且具有集成度高，抗干扰能力强，

51、宽的电源电压范围以及较 宽的输出电压幅度。最重要的是 mos 型线性稳压器的调整管是电压驱动的，能大大 降低器件消耗的静态电流；而且其较小的导通阻抗使得漏失电压比较低，从而提高 了电源的转换效率。新一代的 ldo 都是用 cmos 工艺生产的，它和使用 bipolar 工 艺生产的 ldo 功能上没有太大的区别，而静态电流、转换效率、噪音抑制等内在性 能却有很大的提高20。 3.4.1.1 调整管类型的选择 集成稳压器曾先后采用了npn达林顿管、npn、pnp、nmos和pmos管作为调 整管器件，下面分别对其进行简单介绍21。 （a）达林顿npn结构（b）npn结构 （c）pnp结构（d）p

52、mos管结构（e）nmos管结构 图图3-33-3 几种类型的ldo调整管 图3-3(a)所示为npn达林顿管结构的调整管，由两个npn管和一个pnp管构成。 为了使之能够正常工作，漏失电压应大于两个pn结正向导通压降与pnp饱和压降之 和，即： (3-21)()21.5 difcebe vvsatvv 图3-3(b)所示为npn结构的调整管，由一个npn管和一个pnp管组成。为了使之 能够正常工作，漏失电压应大于一个pn结正向导通压降与pnp饱和压降之和，即： (3-22)()0.8 difcebe vvsatvv 以上两种结构的调整管稳压器具有相对较小的静态电流，因为调整管npn管的 驱动

53、电流由pnp管的集电极电流注入，驱动电流直接经过大调整管npn管放大输出给 了负载。但相对较大的漏失电压使得采用这两者的稳压器不能算作低压差的线性稳 压器。 图3-3(c)所示为pnp结构的调整管。这种结构的ldo最大优点是pnp管处于深饱 和状态下仍可维持稳定输出，所以漏失电压较小，即： (3-23)()0.15 0.4 difce vvsatv 调整管的静态电流直接取决于pnp调整管的增益和负载电流io，即： (3-24)/ drvo ii 其中是晶体管电流增益，其值一般在20500之间。当负载电流io增加时，基极驱 动电流idrv也随之增大。但由于idrv不是输出到负载，而是直接输出到地

54、，所以采用 pnp作为调整管的线性稳压器静态电流相对较大。以pnp管为调整管还有另一个缺点， 就是当电路进入非稳压区域(dropout region)的时候，它往往也会进入饱和状态，造成 pnp晶体的电流增益值下降。此时，为了维持输出电压不变，它就必须汲取更多的 基极电流ib，这就需要较大的启动电流。如果系统的电流供应能力不足，稳压器甚至 无法正常启动。 图3-3(d)、(e)为mos型调整管，由于它是压控元件，所以在输出电流增加时不会 要求相应的栅极驱动电流增加，而且mos管的栅极阻抗极大，其栅极电流可以忽略 不计。加之mos管的导通电阻较小，因此这种结构的稳压器具有较小的漏失电压。 表表

55、3-13-1 几种结构调整管的性能比较 总之，npn达林顿结构的稳压器由于其低价大驱动能力的特点比较适合应用于 交流供电的设备中；pnp结构的稳压器很容易完成低漏失功能，但是它的大静态电流 和较低的效率使之不能应用于手持设备的电路中；nmos结构的调整管虽然具有低 导通阻抗，但其栅极需要增加额外的电荷泵电路来驱动，从而限制了在ldo稳压器 中的广泛应用。通过比较上述五种结构，为实现线性稳压器低功耗、低漏失、高效 率的特点，选用pmos管作为调整管是最佳的方案。 3.4.1.2 pmos调整管尺寸的选择 pmos调整管的尺寸是由芯片要求的最大输出电流和最小漏失电压决定的。作为 输入端向负载提供输

56、出电流的通道，调整管的宽长比越大，驱动负载的能力就越强。 又由于pmos调整管结构的ldo线性稳压器，其漏失电压正比于pmos管的导通电阻， 因此调整管较大的宽长比也会降低漏失电压从而提高电源的转换效率。但如果一味 地增大调整管的宽长比，其栅极寄生电容cpar也会增加，造成误差放大器摆率的降低； 类型类型 参数参数 达林顿管达林顿管npnpnppmos 最大输出电流高高高中 静态电流中中大小 漏失电压vsat+2vbevsat+vbevcevsat 效率低中高高 同时使相应的寄生极点左移，减小相位裕度，从而可能引起系统的不稳定。而且， 过大尺寸的调整管给版图设计也带来了诸多问题。比如，连接线的

57、线电阻和线电容、 过大的线电流密度、热耗散功率、版图内部寄生效应等。反之，如果调整管宽长比 过小，就会造成负载能力较弱，不能提供要求的输出电流，还可能使得调整管在较 低的输入电压、大负载条件下较早地进入线性区，从而影响稳压器的瞬态响应特性。 因此，应该综合以上因素为调整管选择适当的宽长比。 3.4.2 误差放大器的设计考虑 误差放大器是ldo线性稳压器的核心模块，是用来将反馈电压vfb和基准电压 vref进行比较放大，输出到调整管的栅极，通过调节功率管的工作状态，从而保证输 出电压的稳定。误差放大器的设计参数主要包括：增益、输出阻抗、带宽、输出摆 率电流、输出电压摆幅和静态电流等22。根据ld

58、o电路的系统特征并结合本论文的 低功耗设计要求，通过对各种结构误差放大器的分析来确定最终的拓扑结构。 首先，误差放大器的直流增益与ldo的负载调整率、线性调整率成反比，从这 个方面就要求误差放大器的直流增益越大越好；但过大的低频增益会展宽ldo电路 的带宽，将高频寄生极点包含在单位增益频率内，从而降低了系统的相位裕度，甚 至造成系统的不稳定。使用一级误差放大器结构的ldo，由于低频增益不够大，所 以其直流参数不会太好；而使用三级或三级以上结构的误差放大器，不仅增大了结 构对地的支路电流，而且使系统的频率补偿方案复杂化。因此，本文将放大器的结 构锁定在二级放大结构或共源共栅结构的运放上。 其次，

59、由于电源电压随着半导体工艺的进步而逐渐减小，虽然共源共栅结构的 运放比简单的二级运放少一条对地电流，但其本身的结构决定了它并不适用于低电 压供电的ldo电路中。所以，我们将误差放大器的结构定为简单的二级级联放大器 上。 最后来权衡在误差放大器与调整管之间是否应该增加缓冲级。一些研究表明由 于调整管的尺寸较大，因而在其栅极有较大的寄生电容；又由于误差放大器的输出 阻抗也较大，从而在调整管的栅极出现一个中低频极点 p12324。如果增加了缓冲级， 那么原来的中低频极点 p1可以分裂为两个较高频率的极点 p2和 p3，分别为： (3-25) 2 1 2 parbuf p cr (3-26) 3 1

60、2 oaoa p c r 其中、分别为调整管栅极和误差放大器等效输出电容；、分别为 par c oa c buf r oa r 缓冲级和误差放大器等效输出电阻。这样通过缓冲级就可以避免采用较大的输出电 容补偿p1，而且系统的负载瞬态响应特性也会得到较大的改善。 但是从低功耗设计的角度出发，增加缓冲级就增大了电路的静态电流，而且缓 冲级还会造成误差放大器输出电压一个vgs的损失，从而使调整管不能完全的导通或 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