【正文】 作為供電電 源電壓，基準(zhǔn)電壓作為誤差放大器的負相輸入電壓， 電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓 進行分壓并 得 outVLC2FR 1F LRccV mpgfbV基 準(zhǔn) 與 偏置 電 路保 護 電 路?? esrRA M P 圖 21 PMOS型 LDO穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖 到反饋電壓 ，此反饋電壓輸入到誤差比較器的同相端，與負相端的基準(zhǔn)電壓進行比較。其中 OmniPower型 LDO的靜態(tài)電流在 100uA至 1mA之間；MicroPower型 LDO的靜態(tài)電流在 10uA至 100uA之間； NanoPower型 LDO的靜態(tài)電流則 小于 10uA。 主要包括基準(zhǔn)與偏置電路、恒定限流電路和短路保護電路 等模塊。從低功耗要求的角度出發(fā)，對各模塊進行優(yōu)化設(shè)計，進而確定了所要研究的 LDO系統(tǒng)架構(gòu)。并且針對這種系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計出專門的頻率補償方案從而保證整體電路的穩(wěn)定性。例如，國內(nèi)早期從事 LDO生產(chǎn)的圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的 SG202 SG2021以及 SG2021系列 LDO，足以滿足當(dāng)前市場上主流電壓、電流的需要； SG202 SG2021以及 SG2021系列產(chǎn)品，則非常適合于大電流負載應(yīng)用； SGM2021/2021/2021系列 RF LDO更適合于手機電源的應(yīng)用。一些國外知名的半導(dǎo)體廠商如 TI、 MAXIM、 NS等都有比較完整的 LDO產(chǎn)品系列。 這種電路的輸出電壓只能取輸入電壓的倍數(shù)，雖然使用多個充電泵可獲得其它倍數(shù)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范圍。 開關(guān)式電壓調(diào)整器主要指 DC/DC變換器，包括升壓、降壓、升／降壓和反相等幾種結(jié)構(gòu)。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(dǎo)致電路轉(zhuǎn)換效率較低。近年來，筆記本 電腦 、數(shù)碼相機和其它 IT產(chǎn)品的生產(chǎn)基地大規(guī)模向中國轉(zhuǎn)移，中國已經(jīng)成為世界 IT產(chǎn)品的生產(chǎn)基地；加之 “ 十一五 ” 規(guī)劃已經(jīng)明確要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來 有 利于集成電路產(chǎn)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。隨著全球制造業(yè)進一步向中國的轉(zhuǎn)移，預(yù)計到 2021年，中國將成為世界 上 最大的電源芯片需求市場，銷售額預(yù)計將達到 735億元人民幣。美國國家半導(dǎo)體公司的自適應(yīng)電壓調(diào)整 (AVS)技術(shù)和 TI的動態(tài)電壓與頻率調(diào)整 (DVFS)技術(shù)就是為了滿足這一功率管理挑戰(zhàn)而提出的解決辦法。 過去 電源管理 IC供應(yīng)一直將關(guān)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。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，電源管理 技術(shù)也 在 不斷進步。 關(guān)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 Abstract With rapid development of power IC technology, high performance low cost power management chips bee more and more popular. LDO linear regulator is widely used in various kinds of DC regulating voltage circuits, for 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, bining with self features of LDO system, this thesis proposes a kind of LDO linear regulator with low power and excellent 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 tradeoff relationships will be expounded subsequently. Then, optimums every submodule 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 zeropole distribution by setting up AC small signal models. Nested miller pensation (NMC) and Trackingfrequency pensation 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 righthalfplane zero effectively by fixing a best pensation structure. Analyzes structure and working principle of every III submodule in detail, simulation results of whole chip will be shown in the end. Circuit design is based on CSMC CMOS process and simulation has been pleted under different binations of spice models, supply voltages and operating temperatures. The whole chip cost static current of , bandwidth is almost constant and the system keep excellent stability under whole output current range. Keywords： Linear Regulator Low Dropout Voltage Nested Miller Compensation Trackingfrequency Compensation Low Power IV 目 錄 摘 要 ....................................................(I) Abstract .................................................(II) 1 緒論 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義 .............................(1) LDO 線性穩(wěn)壓器的研究目的 .............................(4) 論文章節(jié)安排 .........................................(4) 2 LDO 線性穩(wěn)壓器的簡介 LDO 的結(jié)構(gòu)與工作原理 ..................................(6) LDO 的基本性能指標(biāo) ....................................(7) LDO 的基本應(yīng)用 .......................................(10) 本章小結(jié) ............................................(12) 3 LDO 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計考慮 LDO 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究 ...............................(13) LDO 系統(tǒng)電路的直流研究 ...............................(16) LDO 系統(tǒng)電路的交流研究 ...............................(17) LDO 子模塊的設(shè)計考慮 .................................(19) 本章小結(jié) ............................................(25) 4 LDO 穩(wěn)定性研究與補償方式的確定 LDO 環(huán)路增益的建模 ...................................(27) 傳統(tǒng) ESR 電阻補償 ....................................(29) LDO 補償方式的優(yōu)化 ...................................(34) 本章小結(jié) ............................................(43) V 5 模塊電路的實現(xiàn)與仿真 基準(zhǔn)與偏置電路的設(shè)計 ................................(44) 恒定限流電路的設(shè)計 ..................................(47) FOLDBACK 電路的設(shè)計 ..................................(50) 本章小結(jié) ............................................(54) 6 LDO 整體電路仿真與分析 瞬態(tài)仿真與分析 ......................................(55) 直流仿真與分析 ......................................(56) 交流仿真與分析 ......................................(58) 本章小結(jié) ............................................(59) 7 全文總結(jié) ..............................................(61) 致 謝 .................................................(63) 參考文獻 .................................................(64) 1 1 緒 論 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提高及便攜式電子產(chǎn)品的普及促使電源管理 IC有了長足的發(fā)展。討論了嵌套式密勒補償中調(diào)零電阻可能存在的位置，確定最合適的補償結(jié)構(gòu)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。其次，從瞬態(tài)、直流、交流三方面對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行深入研究，闡述 LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計要點與各種參數(shù)的折衷關(guān)系。 I 摘 要 隨著電源管理 IC技術(shù)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。 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(biāo)。針對文中采用的兩級級聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動調(diào)整管柵極的拓撲結(jié)構(gòu)，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。 結(jié)果表明：電路 不帶負載的 靜態(tài)電流為 uA， 系統(tǒng) 帶寬幾乎不隨負載變化，在輸出電流范圍內(nèi)能保證 較好 的 穩(wěn)定性。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義 電源管理 IC 的發(fā)展趨勢 近年來，各種便攜式電子產(chǎn)品的普及與產(chǎn)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。 二是最大限度地提高負載器件的功率利用效率。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。2021年，中國電源管理芯片銷售額達到了 267億元。未來幾年， 由 于以下因素 的影響 ， 國內(nèi) 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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)境 趨 好。線性穩(wěn)壓器是因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性范圍而得名。當(dāng)輸入電壓略大于輸出電壓與漏失電壓之和時，即： in out difV V V?? (11) 選用 LDO線性穩(wěn)壓器來調(diào)整輸入電壓是一個很不錯的選擇，這時 LDO線性穩(wěn)壓器