【正文】 而被廣泛應(yīng)用于各種直流穩(wěn)壓電路中。隨后從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對各子模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而確立最終的系統(tǒng)架構(gòu)。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。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市場的一席之地。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： 一是盡可能提高電池功率轉(zhuǎn)換效率。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。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。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，國內(nèi)電源管理芯片市場主要分布在消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制等領(lǐng)域。LCD顯示器、數(shù)字電視和汽車電子等產(chǎn)品的快速增長，以及中國3G 牌照頒發(fā)與應(yīng)用的推廣，必將促進(jìn)中國電源管理芯片市場繼續(xù)保持平穩(wěn)快速的發(fā)展。近年來開發(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。在開關(guān)穩(wěn)壓電路中有一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，因此開關(guān)管功耗較小并且與輸入電壓大小無關(guān)。從目前的發(fā)展趨勢看，電荷泵輸出電流越來越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。以NPN、PNP為調(diào)整管的 LDO市場逐步萎縮；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)勢占領(lǐng)了較大的市場份額；DMOS工藝的LDO 在對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]。這些芯片的性能絲毫不亞于國外同類產(chǎn)品，而價(jià)格則更適合于當(dāng)前國內(nèi)市場。 論文章節(jié)安排 本文總共分為七章，其中： 第一章主要闡述了LDO線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。 第四章建立了LDO線性穩(wěn)壓器的交流小信號模型，對系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究。 第六章對LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)電路進(jìn)行全局仿真及分析。本文設(shè)計(jì)的LDO屬于NanoPower型，其較小的靜態(tài)電流非常適用于各種手持電子設(shè)備產(chǎn)品的應(yīng)用中。兩電壓差值通過誤差放大器的放大后直接控制功率調(diào)整元件的柵極，通過改變調(diào)整元件的導(dǎo)通狀態(tài)來控制LDO的輸出端從而獲得穩(wěn)定的輸出電壓值。 LDO 的基本性能指標(biāo) 輸出電壓與輸出精度 輸出電壓V out是LDO線性穩(wěn)壓器的重要參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用LDO 時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù)。 LDO線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度是由多種因素的變化在輸出端共同作用的體現(xiàn)，主要有輸入電壓變化引起的輸出變化 、負(fù)載變化引起的輸出變化 、基準(zhǔn)LRV?LDRV?電壓漂移引起的輸出變化 、誤差放大器失調(diào)引起的輸出變化 、反饋比例電ref amp阻阻值漂移引起的輸出變化 以及由環(huán)境溫度變化引起的輸出變化 ，輸出精res TC8度 由下式給出 [8]：cA (24)2210%LRDrefampresTCc outVVV??????? ?其中 、 及 對 影響較大，因此基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器及反饋比例refV?amprescA電阻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。LDO線性穩(wěn)壓器工作效率是隨著電池電壓的下降而逐漸升高的，實(shí)際電池的電壓、LDO線性穩(wěn)壓器工作效率與電池工作時(shí)間的關(guān)系如圖23所示。 線性調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對輸出電壓的影響程度，定義為負(fù)載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入電壓相對變化量之比，即： (211)()10outVINOMS???％其中， 是標(biāo)定的輸出電壓值， 為輸入電壓的變化量， 為輸入電壓)(NOMoutVI outV?變化引起的輸出電壓的變化量。圖24(a)所示電路是一種最常見的AC/DC 交流電源電壓經(jīng)變壓器變?yōu)橹绷麟妷?，再?jīng)過LDO得到所需的輸出直流電壓。11L D OD CD C D CL D OD CA CD C O u t p u tL D OL D OL D OL D OL D OD CE N 1E N 2E N 3E N 4O u t p u t 1O u t p u t 2O u t p u t 3O u t p u t 4( a )( b )( c )( d )圖24 LDO 的典型應(yīng)用示意圖 眾所周知，開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。12 本章小結(jié)本章首先簡要介紹了LDO線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。 LDO 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究LDO線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)研究主要關(guān)注其瞬態(tài)響應(yīng)，是指輸入電壓、輸出負(fù)載階躍變化時(shí)引起的輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間。當(dāng)輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍變化時(shí)穩(wěn)壓器輸出脈沖值應(yīng)該是在穩(wěn)壓器閉合環(huán)路響應(yīng)之前輸出電流對電容的充電電壓值。但是實(shí)際應(yīng)用中，由于調(diào)整管產(chǎn)生的柵極電容影響了誤差放大器GV的擺率，從而增大了閉環(huán)響應(yīng)的時(shí)間，其近似表達(dá)式為 [17]： (32)11GSRparclclsVttCBWI?????這里 是負(fù)載階躍變化后調(diào)整管柵極電位的改變量，I sr是誤差放大器擺率電流。 直觀地在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中反映了系統(tǒng)的負(fù)載2V?調(diào)整能力。3Vtrmax?LDO響應(yīng)時(shí)間結(jié)束后，調(diào)整管隨之關(guān)閉，輸出電壓的改變量下降到 ，然后經(jīng)4V過 時(shí)間調(diào)整，LDO穩(wěn)定輸出。從上面的分析可以得出結(jié)論：在LDO線性穩(wěn)壓器中，主要由系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬、輸出電容和負(fù)載電流這幾個(gè)因素決定負(fù)載電流階躍引起輸出電壓變化的幅度和響應(yīng)時(shí)間。另外，擺率的提高，也需要增大誤差放大16器的輸出級電路的偏置電流，以提供更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管柵極寄生節(jié)點(diǎn)的大電容。 線性調(diào)整率的研究17假設(shè)調(diào)整管的導(dǎo)通電阻為 ，穩(wěn)壓器輸出端除 外的等效電阻為 ，由輸入onRonRzR電壓變化引起的輸出電壓變化為 ，那么輸出電壓可以表示為：utV? zout inoutoR??? ()zinzsrefmapoaoVgR? 12z Finmapozref outzampoRgVg???? (312)12zinapozrefoFzmVRg?由于 ，所以(312)式可以寫成：1zmapRg? (313)12 12()inF Fout refmapozonVRRV Vg????(313)式中等號右邊第一項(xiàng)是由輸入電壓變化引起的輸出電壓關(guān)系式，第二項(xiàng)是輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系式。LDO線性穩(wěn)壓器的PSRR特性反映了輸出電壓對輸入噪聲和紋波的抑制能力。 LDO 子模塊的設(shè)計(jì)考慮 調(diào)整管的設(shè)計(jì)考慮 目前市場上主要有雙極型和 MOS 型兩種 LDO 線性穩(wěn)壓器。最重要的是 MOS 型線性穩(wěn)壓器的調(diào)整管是電壓驅(qū)動(dòng)的，能大大降低器件消耗的靜態(tài)電流；而且其較小的導(dǎo)通阻抗使得漏失電壓比較低，從而提高了電源的轉(zhuǎn)換效率。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應(yīng)大于兩個(gè)PN結(jié)正向?qū)▔航蹬cPNP飽和壓降之和，即： (321)()???圖33(b)所示為NPN結(jié)構(gòu)的調(diào)整管，由一個(gè)NPN管和一個(gè)PNP管組成。這種結(jié)構(gòu)的LDO最大優(yōu)點(diǎn)是PNP管處于深飽和狀態(tài)下仍可維持穩(wěn)定輸出，所以漏失電壓較小，即： (323)()~4difceVsatV??調(diào)整管的靜態(tài)電流直接取決于PNP調(diào)整管的增益和負(fù)載電流I o，即： (324)/drvoI?其中β是晶體管電流增益，其值一般在20—500之間。此時(shí)，為了維持輸出電壓不變，它就必須汲取更多的基極電流I b，這就需要較大的啟動(dòng)電流。表 31 幾種結(jié)構(gòu)調(diào)整管的性能比較 總之，NPN達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器由于其低價(jià)大驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)比較適合應(yīng)用于交流供電的設(shè)備中；PNP結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器很容易完成低漏失功能，但是它的大靜態(tài)電流和較低的效率使之不能應(yīng)用于手持設(shè)備的電路中；NMOS結(jié)構(gòu)的調(diào)整管雖然具有低導(dǎo)通阻抗，但其柵極需要增加額外的電荷泵電路來驅(qū)動(dòng)，從而限制了在LDO穩(wěn)壓器中的廣泛應(yīng)用。又由于PMOS調(diào)整管結(jié)構(gòu)的 LDO線性穩(wěn)壓器，其漏失電壓正比于PMOS管的導(dǎo)通電阻，因此調(diào)整管較大的寬長比也會(huì)降低漏失電壓從而提高電源的轉(zhuǎn)換效率。反之，如果調(diào)整管寬長比過小，就會(huì)造成負(fù)載能力較弱，不能提供要求的輸出電流，還可能使得調(diào)整管在較低的輸入電壓、大負(fù)載條件下較早地進(jìn)入線性區(qū)，從而影響穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。根據(jù)LDO電路的系統(tǒng)特征并結(jié)合本論文的低功耗設(shè)計(jì)要求，通過對各種結(jié)構(gòu)誤差放大器的分析來確定最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 其次，由于電源電壓隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步而逐漸減小，雖然共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)放比簡單的二級運(yùn)放少一條對地電流，但其本身的結(jié)構(gòu)決定了它并不適用于低電壓供電的LDO電路中。如果增加了緩沖級，那么原來的中低頻極點(diǎn) P1 可以分裂為兩個(gè)較高頻率的極點(diǎn) P2 和 P3，分別為： 21parbufPCR?? (325)23 (326)312oaPCR?? 其中 、 分別為調(diào)整管柵極和誤差放大器等效輸出電容； 、 分別為parCo bufRoa緩沖級和誤差放大器等效輸出電阻。前者使誤差放大器的輸出電壓減小了一個(gè)柵源差，從而造成了調(diào)整管不能完全關(guān)斷；后者則使誤差放大器的輸出電壓增大了一個(gè)柵源差，從而造成了調(diào)整管不能完全導(dǎo)通。它是LDO穩(wěn)壓器的核心模塊之一，是影響穩(wěn)壓器輸出電壓精度最主要的因素之一。25此外，為了滿足LDO穩(wěn)壓器低功耗設(shè)計(jì)的要求，基準(zhǔn)模塊必須具有較小的靜態(tài)電流。根據(jù)他人的研究成果結(jié)合本電路的設(shè)計(jì)要求，決定采用一種耗盡管與增強(qiáng)管串聯(lián)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的電路結(jié)構(gòu)，具體的電路實(shí)現(xiàn)見第五章。其它模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)將在第五章中給出。最后給出這兩種補(bǔ)償方法應(yīng)用于LDO的仿真并對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。比如，圖42示從MOS管的柵極處斷開反饋環(huán)路是一個(gè)較好的27選擇；而在MOS管源極處斷開環(huán)路來計(jì)算傳輸函數(shù)則不是很理想。將L、C設(shè)置趨向于無窮大時(shí)，就可以忽略電感、電容本身阻抗對回路的影響。系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為： (42)1122()()()y FVVxs RAHGsAs???其中 Av1(s)、A v2(s)分別是誤差放大器、調(diào)整管的交流增益，R FR F2 則是反饋比例電阻。 1mingV1oR1CiniR2V2C1mgoR32mgVesrRLC/or2F1FfbVout圖 47 ESR 電阻補(bǔ)償小信號模型根據(jù)基爾霍夫電流規(guī)則分別在V V V out三點(diǎn)處列出KCL方程： (43)11()0minosgCsR?? (44)2212()oVs (45)32 12()()()() 0/ututoutmoLFesrLsVsgRRC???又因?yàn)椋? (46)12()()()FfboutoutVsVss????由以上四個(gè)方程，消除V 1(s)、V 2(s)、V out(s)得到V fb(s)與V in(s)的比值，即為電路的環(huán)30路增益： (47)123102() (1))()fbmoutLesrVino otsgRSCAsCs?????其中：g mg m2，R oR o2，C C 2分為誤差放大器的第一、二級跨導(dǎo)、輸出阻抗、寄生電容，g m3為調(diào)整管跨導(dǎo)， RFR F2為反饋比例電阻，r o和R L分別調(diào)整管導(dǎo)通電阻與負(fù)載電阻。值得指出的是，如果輸出電流很小，就有可能造成P 0高于P 1，使P 1變成系統(tǒng)的主極點(diǎn)。由于誤差放大器的第一級輸出等效電容很小，因此P 2是一個(gè)高頻極點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將此極點(diǎn)安放在UFG之外。很顯然當(dāng)輸出電流較小時(shí)，P 0點(diǎn)頻率也較低，從而造成了電路的帶寬隨之也減小，見圖48。這時(shí)增益仍將以十倍頻程20dB的速率下降，系統(tǒng)帶寬因此被展寬，導(dǎo)致誤差放大器內(nèi)部的寄生極點(diǎn)也被包含在UGF內(nèi)。]L O G s c a l eAV 0 9 0 1 8 0P h a s e M a r g i n 6 0 176。]L O G s c a l eAV 0 9 0 1 8 0S t a b l e R e g i o n o f E S RP h a s e M a r g i n 1 0 176。 嵌套式密勒補(bǔ)償4 嵌套式密勒補(bǔ)償?shù)脑韴D 410 為帶嵌套式密勒補(bǔ)償?shù)娜夁\(yùn)放結(jié)構(gòu)圖。右半平面零點(diǎn)的產(chǎn)生是因?yàn)槊芾昭a(bǔ)償電容C mC m2在輸出端與誤差放大器的第一、二級輸出端之間形成了容性的前饋通路。圖412給出了在三級運(yùn)放嵌套式密勒補(bǔ)償電路中四種可能消除右半平面零點(diǎn)36的調(diào)零電阻