【正文】 輸出大電流提供通道。 誤差放大器（ Error Amplifier） 誤差放大器是 LDO 的核心組成部分，誤差放大器的主要作用是提取 LDO輸出端信號 Vouto 和 VREF 之間的電壓差值，將其放大，然后用其輸出作為驅(qū)動信號來驅(qū)動調(diào)整管 (MPT)的柵極 ,從而控制調(diào)整管的輸出電流，使輸出電壓保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器是電源管理系統(tǒng)不可或缺的組成部分 ,在各種穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中，低壓差線性穩(wěn)壓器憑借較小的 PCB 面積，低噪聲以及較低的靜態(tài)功耗和成本等優(yōu)勢在移動設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，本節(jié)對 LDO 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作過程等進(jìn)行相應(yīng)描述。 第三章一方面對誤差放大器基本電路單元進(jìn)行分析設(shè)計；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； 第四章則根據(jù)本次設(shè)計提出的各項(xiàng)指標(biāo)對電流進(jìn)行分配從而計算出各管子的寬長比，并用 Candence 仿真軟件對電路圖進(jìn) 行仿真，分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證其所達(dá)到的性能指標(biāo)。目的是：實(shí)現(xiàn)一種高增益、高增益帶寬積、低壓低功耗、小面積的誤差放大器 ,能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于 LDO 上。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 綜上所述，國際上放大器技術(shù)的研究設(shè)計生產(chǎn)己經(jīng)進(jìn)入了一個較為成熟的階段，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。三級放大器優(yōu)點(diǎn)是：增益大、工作電源電壓低、更適合于低壓低功耗的發(fā)展需求。 因?yàn)閮杉壏糯笃骷夹g(shù)無論是在標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝，還是在 CMOS 工藝，BICMOS 工藝下都己趨于成熟，所以 LDO 內(nèi)的誤差 放大器結(jié)構(gòu)也以兩級放大器為主。但是這些文章所涉及到的電路結(jié)構(gòu)都是傳統(tǒng)的兩級結(jié)構(gòu)，采用 Cascode 結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高增益，用極點(diǎn)分裂，零點(diǎn)補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，用推挽結(jié)構(gòu)來提高輸 出擺幅，用共模反饋來穩(wěn)定共模電壓輸出值。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。 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。三級放大器只需增加少數(shù)幾個面積很小的晶體管便可以實(shí)現(xiàn)，并且對于復(fù)雜的兩級運(yùn)放來說，功耗不會增加。 傳統(tǒng)的兩級誤差放大器依靠大量晶體管級聯(lián) (Cascode)的方式 ,來實(shí)現(xiàn)高增益。誤差放大器作為 LDO 的核心組件，它用于放大采樣信號，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。因此，掌握基本電源管理知識的同時，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)對于本行業(yè)的設(shè)計者來說具有長遠(yuǎn)的意義。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。器件尺寸不斷地減小，推動著電子設(shè)備芯片向更高的集成度 方向發(fā)展。 Single Miller Capacitor。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)計指標(biāo)的要求。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有三級放大器補(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。 LDO 未來發(fā)展趨勢是：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，主流電源芯片市場份額基本都被外國公司占據(jù)。此放大器的設(shè)計采用 CSMC 工藝，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 的情況下對電路進(jìn)行仿真，仿真達(dá)到指標(biāo)為：放大器的單位增益帶寬為 ,直流增益 ,相位裕度為 ，補(bǔ)償電容僅為， ，功耗僅為 。 文章結(jié)尾對本設(shè)計進(jìn)行了小結(jié) ,指出了設(shè)計中所存在的一些不足之處，并結(jié)合當(dāng)前設(shè)計和未來發(fā)展提出了進(jìn)一步的想法。 Frequency Compensation 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 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 ................................................................................. 6 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 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 .................................................................. 15 第一節(jié) 基本電路單元設(shè)計 ........................................................................... 15 第二節(jié) 頻率補(bǔ)償?shù)姆治雠c設(shè)計 ................................................................... 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 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 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。 在過去的十年電源技術(shù)可以說是突飛猛進(jìn)。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)逐漸演變成為一個獨(dú)立的學(xué)科分支。 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)。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)功耗直接影響重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 LDO 的效率，誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率直接影響著 LDO 的瞬時響應(yīng)。但隨著低壓的要求，以及工藝的發(fā)展 (管子的有效長度越來越小 )，使得高增益的實(shí)現(xiàn)需要更復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)。而大于三級的放大器是不需要的，因?yàn)槿壏糯笃鞯脑鲆嬉呀?jīng)能夠很容易實(shí)現(xiàn)高增益的要求，多出一級無論從功耗、面積及補(bǔ)償難 度系數(shù)等方面來說，都是不明智的。 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。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)展重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 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。其種類層出不窮，性能各異，根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化出通用型、低電壓 /低功耗型、高速型、高精度型四大類放大器產(chǎn)品。如 Tsz Yin Man 及 philip K. T. Mok 等人于 07 年所發(fā)表的 ―A High SlewRate PushPull Output Amplifier for LowQuiescent Current LowDropout Regulators With TransientResponse Improvement‖，采用 PushPull 結(jié)構(gòu)提升輸出級的驅(qū)動能力，在 工藝下， LDO 輸入電壓 1V，負(fù)載電流 50mA，壓降電壓 100mv[17]。但是由于其自身補(bǔ)償復(fù)雜，及 LDO 的補(bǔ)償難度系數(shù)高，使得這類放大器并沒有得到很好的發(fā)展。但這門技術(shù)總的發(fā)展趨勢是一致的，即高效率，低功耗，高集成度，多功能化。用 spectre 在 CSMC 工藝下對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并對結(jié)果進(jìn)行分析。 最后，對本文工作進(jìn)行總結(jié)、展望和致謝。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的 LDO由以下幾個部分組 成 :基準(zhǔn)電壓源 (VREF— Voltage Reference),誤差放大器 (Error Amplifier),反饋網(wǎng)絡(luò) (Feedback Network),PMOS 調(diào)整管(Pass Element),及片外電容 (Offchip capacitor)。另外，誤差放大器還決定著 LDO 的精度、 PSRR、瞬態(tài)響應(yīng)速度等性能。由于其容抗很大，所以要求誤差放大器要有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。 片外電容（ Offchip Capacitor） 它的作用主要是使 LDO 穩(wěn)定，對 LDO 系統(tǒng)傳輸函數(shù)中所存在的低頻極 點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。 LDO 原理分析 由上面各模塊的功能介紹可以了解 LDO 的基本工作原理：由于輸入電壓或輸出電流變化，引起了輸出電壓的變化，則反饋網(wǎng)絡(luò)會立即將信號傳送到誤差放大器的正輸端，并與基準(zhǔn)電壓源做比較，將其差值 放大到輸出端 (Vout)，控制 PMOS 調(diào)整管柵極電壓，從而對調(diào)整管的輸出電流作用，最終調(diào)整輸出電壓 Vouto,保證 LDO 始終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。t tt ?? 。本章指出 LDO 是由 基準(zhǔn)電壓源 (VREF),誤差放大器 (Error Amplifier),反饋網(wǎng)絡(luò) (F