【正文】 的研究意義與目的。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)。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]。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。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)。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。 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 。 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 。 2 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。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。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。 LDO(lowdropout)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。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。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)。 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。通過(guò)建立 LDO電路的交流小信號(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。 電路設(shè)計(jì)采用了 CSMC 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。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。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。 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。 與世界其它地 區(qū)相比，中國(guó)的電源管理芯片市場(chǎng)始終保持著快速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)， 2021－ 2021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) %，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。 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。如凌特公司 (Linear Technology)推出的輸入電壓可低至 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。隨 著芯片集成度的提高，許多新型 DCDC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。 表 11 三種直流電源調(diào)整器的特點(diǎn)比較 類(lèi)型 指標(biāo) 線性穩(wěn)壓器 開(kāi)關(guān)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 DCDC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 [1~2]。 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi) LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。 LDO 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)。 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。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。 第七章是全文總結(jié)，簡(jiǎn)單歸納了本文所做的主要工作。 LDO 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) [4~6]。 7 圖 21為 PMOS型 LDO線性 穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)圖。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。 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 [9~10]， 即： m in ,d if in o u t LD OV V V?? 正 常 工 作 (25) 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)。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 10 機(jī)”時(shí)靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。與負(fù)載調(diào)整率一樣，該指標(biāo)也是越小越好。 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。在開(kāi)關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(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。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。 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 范圍內(nèi)，才能保證電路 的 正常工作 。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 14 tr maxV?? 為： ( ) ( )1 1 ( )O M A X O M A Xtr m a x e s r O M A X E S Ro u t o u tIIV t V t I RCC?? ? ? ? ? ? ? ? (31) 從 (31)式可以看到 tr maxV?? 是響應(yīng)時(shí)間 1t? 、輸出電容 outC 等的 函數(shù)。 當(dāng) Isr足夠大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。而調(diào)整時(shí)間 2t? 的確定主要依賴于調(diào)整管輸出電流驅(qū)動(dòng)輸出電容和旁路電容的能力，以及系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)的相位裕度參數(shù)。此時(shí)，輸出電壓的調(diào)整將主要取決于 LDO系統(tǒng)的輸出電容參數(shù)，即： 43 esrV V V? ? ? ?? (36) ? ? 14 4 4o u t b Fo u t bp u ll d o w n r e fC C RCCt V VIV???? ? ? ? ? (37) 其中 ， pull downI ? 為 LDO分壓網(wǎng)絡(luò)流過(guò)的小電流 ， 1FR 是 反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻 之一。 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。 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。因此，輸入輸出電壓關(guān)系為： 1211 ()out FFin F m a m p o a z o nV RRV R g g R R R? ????? (314) 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。 圖 32是對(duì) PMOS型 LDO做 PSRR分析時(shí)的簡(jiǎn)化交流小信號(hào) 模型 [19]，可以推出 LDO的電源抑制比為： 2 12 21()( ) ( ) ( )g s p g d p m p g d p m pouti n o u t g s p g d p m p g d p g s p o u t m p m as C C s g C g GVsP S R R V s s C C C s g C G C G C g g++== + + + + + (315) gsCgdoaR ()inVsoutVor outCm a fbgV1()Vs1 ()mpg V sloadR 圖 32 PMOS 型 LDO 的 PRSS 分析簡(jiǎn)化交流小信號(hào)模型 由 (315)式可知， LDO的 PSRR直流增益、零極點(diǎn)分別為： 1001ma OTAGPSRR gA??? (316) 112mpP S R R O T AgdpgGZ B WCG = = (317) 2 mpPSRR gspgZ C = (318) 1 21m p m a maP S R R L D Om p g d p g s p g d p g d pgg gP G B Wg C G C G C C? ? ? ? ??? (319) 212 ()m p g d p g sp o u tP S R Ro u t g sp g d pg C G C G CP C C C? ???? ? (320) 其中： 11 ()oaGR?? 、 12 ()outGR?? ， (0)OTAAV 、 BWOTA、 GBWLDO分別為誤差放大器的直流增益、帶寬以及 LDO的增益帶寬積。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。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]。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c PNP飽和壓降之和，即： ( ) ce beV V sat V V? ? ? (322) 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)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。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。 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)。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 。但 類(lèi)型 參數(shù) 達(dá)林頓管 NPN PNP PMOS 最大輸出電流 高 高 高 中 靜態(tài)電流 中 中 大 小 漏失電壓 Vsat+2Vbe Vsat+Vbe Vce Vsat 效率 低 中 高 高 22 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；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。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。 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。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。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。此外，隨著負(fù)載電流的增大，還可能使 誤差放大器的輸出級(jí)晶體管從飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)?；鶞?zhǔn)電壓的漂移主要包括兩部分： 一是 溫度變化引起的基