【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：LDO誤差放大器頻率技術(shù)分析與設(shè)計(jì)重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要近年來，CMOS工藝水平不斷進(jìn)步，便攜式電子的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷深入，使得低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的性能要求更加嚴(yán)格。LDO未來發(fā)展趨勢(shì)是：低成本、低噪聲、低功耗、高效率、高集成度、適用范圍更廣。國內(nèi)IC行業(yè)起步較晚，LDO的發(fā)展落后于先進(jìn)國際水平，主流電源芯片市場(chǎng)份額基本都被外國公司占據(jù)。因此，掌握基本電源技術(shù)知識(shí)，學(xué)習(xí)國際先進(jìn)水平，設(shè)計(jì)實(shí)用的新型結(jié)構(gòu)，對(duì)今后發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。本文針對(duì)LDO的發(fā)展要求，主要研究LDO的核心——誤差放大器，且著重對(duì)誤差放大器頻率補(bǔ)償進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有三級(jí)放大器補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本論文采用單密勒電容前饋頻率補(bǔ)償(SMFFC)，并用Cadence完成電路構(gòu)造和參數(shù)仿真。此放大器的設(shè)計(jì)采用CSMC ，在正負(fù)電源電壓分別為正負(fù)一伏，負(fù)載電容120pF，負(fù)載電阻25K的情況下對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真達(dá)到指標(biāo)為：,，補(bǔ)償電容僅為。分析與設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容有：第一章主要對(duì)LDO的工作原理和誤差放大器對(duì)LDO的影響進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，以引出下文對(duì)誤差放大器的分析。第二章一方面對(duì)誤差放大器基本電路單元進(jìn)行分析設(shè)計(jì)；另一方面著重分析放大器的頻率補(bǔ)償，運(yùn)用一種SFMMC結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償方式，分析其小信號(hào)傳輸函數(shù)，確定零極點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了左半平面零點(diǎn)在頻率補(bǔ)償中的作用；第三章則根據(jù)本次設(shè)計(jì)提出的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電流進(jìn)行分配從而計(jì)算出各管子的寬長(zhǎng)比，并用Candence仿真軟件對(duì)電路圖進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，此誤差放大器達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)償目的，完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。 文章結(jié)尾對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了小結(jié),指出了設(shè)計(jì)中所存在的一些不足之處，并結(jié)合當(dāng)前設(shè)計(jì)和未來發(fā)展提出了進(jìn)一步的想法?！娟P(guān)鍵詞】低壓線性穩(wěn)壓器 誤差放大器 頻率補(bǔ)償 SMFFCABSTRACTIn recent years, along with the continuous development of the process level and the deepening in the application fields of portable electronic equipments, the performance requirements of Low dropout Linear Regulator(LDO) is being more and more rigorous. The future development trends of LDO are: lower cost, lower noise, lower power consumption, higher efficiency, higher integration, and wider range of application. The domestic development of LDO is behind the advanced international standards, because the IC industry started late. And the market shares of power management chips are mainly occupied by foreign panies. Therefore, there is important strategic meaning to master the basic knowledge of power technology, study the international advanced skills, and design new circuit structures which are practical.Due to the requirement of LDO, this paper mainly study the core of LDO, namely, error amplifier, emphasizing on frequency pensation analysis and research. Based on the existing pensation structures of threestage error amplifier ,this paper introduces a kind of pensation called Single Miller Capacitor Feedforward Frequency Compensation(SMFFC). What’s more CSMC COMS technology is adopted, and circuits design and parametric simulation are acplished through the spectre simulation tool. The design of circuit is done here to drive a 120pF load. When the power supply voltage is 2V,the GBW achieves , the DC gain reaches to , the phase margin can be ,the miller capacitor is only ,and the power supply consumption is just . In chapter one, the basic construction and theory of LDO and the influence to LDO of error amplifier are interpreted in order to introduce the analysis of the error amplifier. In chapter two, on the one hand, the basic amplifier cells are studied and designed. On the another, the amplifier’s frequency pensation is analysized adopting a kind of SFMMC structure through analysizing its small signal transfer function to confirm its locations of zeros and poles and achieve the purpose of frequency of frequency pensation through left halfplane zero. In chapter three, the current is attributed based on indictors of this design to calculate the rate of width and length of every transistor. .According to the simulation data, this design achieves the expected purpose of pensation, and pletes the requirements of design specifications.At the end of this paper, all the jobs are summarized briefly, while some existing disadvantages are pointed out. And the ideas concerning to this design and future development are also put forward.【Key words】LDO。 Error Amplifier。 Single Miller Capacitor。 Frequency Compensation目 錄摘 要 1第一章 緒 論 5第一節(jié) 研究背景及意義 5第二節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7第三節(jié) 本論文主要工作 8第二章 低壓線性穩(wěn)壓器的介紹 10第一節(jié) LDO工作原理 10第二節(jié) 誤差放大器對(duì)LDO的影響 13第三節(jié) 本章小結(jié) 14第三章 誤差放大器電路分析與設(shè)計(jì) 15第一節(jié) 基本電路單元設(shè)計(jì) 15第二節(jié) 頻率補(bǔ)償?shù)姆治雠c設(shè)計(jì) 19第三節(jié) 本章小結(jié) 27第四章 誤差放大器參數(shù)分析與仿真 28第一節(jié) 參數(shù)分析與計(jì)算 28第二節(jié) 電路仿真 31第三節(jié) 本章小結(jié) 40結(jié) 論 與 展 望 41致 謝 43參考文獻(xiàn) 44附 錄 47一、英文原文： 47二、英文翻譯： 61第一章 緒 論第一節(jié) 研究背景及意義 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路生產(chǎn)工藝不斷進(jìn)步，系統(tǒng)芯片種類越來越多，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。多晶硅柵CMOS工藝己經(jīng)發(fā)展到了深亞微米，、90nm、45nm級(jí)工藝器件制造芯片不是天方夜譚。碳納米管[1]的出現(xiàn)又會(huì)使這些技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。器件尺寸不斷地減小，推動(dòng)著電子設(shè)備芯片向更高的集成度方向發(fā)展。在過去的十年電源技術(shù)可以說是突飛猛進(jìn)。電源管理是電子行業(yè)中不可或缺的行業(yè)之一，隨著電子產(chǎn)品逐步在人們的生活中得到普及，價(jià)格越來越低，集成度越來越高，但是功能卻越來越強(qiáng)，應(yīng)用范圍越來越廣。而大多數(shù)電子設(shè)備如通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)、汽車電子等，都需要有可靠的電源管理電路。電源的精度、穩(wěn)定性及可靠性直接影響著電子設(shè)備的性能。因此，電源管理技術(shù)顯得尤為重要，電源電路愈來愈復(fù)雜，集成化程度也越來越高，電源技術(shù)己經(jīng)逐漸演變成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支。國際上電源管理技術(shù)的研究設(shè)計(jì)生產(chǎn)己經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)較為成熟的階段，國內(nèi)在這方面的發(fā)展也比較迅速，但與國際水平有一定差距，還需多與國際先進(jìn)水平交流。但這門技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是一致的，即高效率、低功耗、高集成度、多功能化。因此，掌握基本電源管理知識(shí)的同時(shí)，具備一定的創(chuàng)新性能力，建立更適應(yīng)未來發(fā)展的結(jié)構(gòu)對(duì)于本行業(yè)的設(shè)計(jì)者來說具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。 低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator（LDO)作為電源管理電路之一，具有低成本、低噪聲、低功耗、高速率等特點(diǎn)。LDO產(chǎn)品的高速發(fā)展，不僅推動(dòng)了手持消費(fèi)類電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，也推動(dòng)了同類電源產(chǎn)品的更新?lián)Q代。目前對(duì)LDO發(fā)展的挑戰(zhàn)主要是希望LDO產(chǎn)品能夠提供更低的Vdrop、更高的效率、以及更小的封裝面積以應(yīng)對(duì)手持設(shè)備中對(duì)高效率和苛刻的工作環(huán)境的要求。誤差放大器作為L(zhǎng)DO的核心組件，它用于放大采樣信號(hào)，并將其輸出到調(diào)整管的柵極，控制調(diào)整管的工作狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。誤差放大器的帶寬和增益直接決定著LDO的PSRR性能，誤差放大器的靜態(tài)功耗直接影響LDO的效率，誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率直接影響著LDO的瞬時(shí)響應(yīng)。因此，誤差放大器性能的改善將極大提升LDO的功能。誤差放大器在其它同類產(chǎn)品中也發(fā)揮著舉足輕重的作用，由于LDO和開關(guān)電源的要求,寬帶寬、高增益、高速率、低功耗、小面積的誤差放大器一直是研究的熱點(diǎn)，更優(yōu)良的放大器結(jié)構(gòu)更應(yīng)該成為重點(diǎn)研究對(duì)象來面對(duì)日新月異的器件制造工藝和更惡劣的工作環(huán)境，并同時(shí)滿足包括電源產(chǎn)品在內(nèi)的各類電子產(chǎn)品性能要求。 傳統(tǒng)的兩級(jí)誤差放大器依靠大量晶體管級(jí)聯(lián)(Cascode)的方式,來實(shí)現(xiàn)高增益。但隨著低壓的要求，以及工藝的發(fā)展(管子的有效長(zhǎng)度越來越小)，使得高增益的實(shí)現(xiàn)需要更復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)。直到2003年,Ka Nang Leung和Phihp K T. Mok等人發(fā)表了“A CapacitorFree CMOS LowDropout Regulator With DampingFactorControl Frequency Compensation”，才開始將三級(jí)誤差放大器的思想應(yīng)用于LDO中[2]。而國內(nèi)相關(guān)的文章很少，更不必說有多少此類產(chǎn)品出現(xiàn)。三級(jí)放大器只需增加少數(shù)幾個(gè)面積很小的晶體管便可以實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)于復(fù)雜的兩級(jí)運(yùn)放來說，功耗不會(huì)增加。而大于三級(jí)的放大器是不需要的，因?yàn)槿?jí)放大器的增益已經(jīng)能夠很容易實(shí)現(xiàn)高增益的要求，多出一級(jí)無論從功耗、面積及補(bǔ)償難度系數(shù)等方面來說，都是不明智的。設(shè)計(jì)過程中，三級(jí)放大器相對(duì)于兩級(jí)放大器來說極點(diǎn)數(shù)增多，電路的穩(wěn)定性變差，主要體現(xiàn)在頻率特性上面。鑒于以上原因，本文將介紹一種基于MSFFC補(bǔ)償?shù)母咴鲆?、高帶寬、低壓、低功耗的三?jí)誤差放大器。第二節(jié) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于便攜式電子產(chǎn)品在市場(chǎng)中所占有份額的增多，在最近十年來，無論是國外，還是國內(nèi)，其發(fā)展速度是令世界矚目的。LDO作為主要電源電路之一，其性能越來越好，應(yīng)用范圍越來越廣。作為L(zhǎng)DO的核心，運(yùn)算放大器出現(xiàn)時(shí)間較早。1965年，美國仙童(Fairchild)公司的Bob Widlar成功的設(shè)計(jì)了第一個(gè)運(yùn)算放大器—uA709，但是存在閂鎖效應(yīng)及其它一些問題。很快，于1966年此公司又發(fā)明了uA74l[15],并在60年代后期廣泛流行，成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且影響著運(yùn)算放大器多年來的設(shè)計(jì)。隨著工藝水平的進(jìn)步，經(jīng)過了幾十年的不斷更新，由最初的雙極型運(yùn)算放大器發(fā)展到現(xiàn)在的CMOS運(yùn)算放大器，其性能、結(jié)構(gòu)及封裝尺寸都有了翻天覆地的變化。近年來，在IEEE上已有兩、三百篇關(guān)于運(yùn)算放大器的文章，其中大多數(shù)是國外的，國內(nèi)也有少量，如中國科學(xué)院微電子研究所Wang jin和Qiu Yulin在IEEE上發(fā)表了論文“Analysis and design of fully differential gainboosted telescopic cascode opamp”，在2pF的負(fù)載下單位增益帶寬為16lMHz，直流增益129dB。