【正文】 ld)公 司的 Bob Widlar 成功的設(shè)計了第一個運算放大器 — uA709，但是存在閂鎖效應(yīng)及其它一些問題。因此，電路結(jié)構(gòu)各異，但總的趨勢是在達(dá)到設(shè)計要求的同時，尋求性能平衡，盡量提升各方面性能。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)。 第二章主要對 LDO的工作原理和誤差放大器在 LDO的作用及影響進(jìn)行簡單的闡述，以引出下文對誤差放大器的分析。一個性能優(yōu)越的基準(zhǔn)電路，能夠保證在相當(dāng)廣的范圍內(nèi) 不隨 PVT（ Process、Voltage、 Temperature） 影響而變化 。物理構(gòu)造與普通的 MOS 管不同，一般會增加漂移區(qū)以承受漏 — 源高壓，增加場釋放結(jié)構(gòu) (fieldrelief)，以防止將薄的氧化層擊穿。反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出變化后，反饋到誤差放大器的正輸入端 fV ，從而產(chǎn)生誤差 信號： 0V referr ??? VV f 。由于三級放大器補償設(shè)計的需要，下面主要分析可選用的相關(guān)電路的電壓增益和一些輸入、輸出寄生電容。從上面的式子可以看到要 得到一個較大的增益，則 NMOS 管的寬長比須比 PMOS 管大得多，同時引起的寄生電容和版圖面積也會 增加。 第 二 節(jié) 頻率補償?shù)姆治雠c設(shè)計 雖然三級放大器有眾多優(yōu)勢存在，但其設(shè)計難度也不小，頻率補償是其最大的難度，不僅在于其本身結(jié)構(gòu)設(shè)計，更在于將其應(yīng)用于 LDO 時， LDO 的穩(wěn)定性是否能夠達(dá)到要求。因此，放大器通常需要對頻率進(jìn)行“補償”，即放大器開環(huán)傳輸函數(shù)必須修正，以使閉環(huán)電路是穩(wěn)定的，而且時間響應(yīng)的性能也會變得 良好。因此，為了增大增益帶寬積電路需要小的補償電容和較大的 gmL，并且較大的 gmL決定了 NMC 三級放的穩(wěn)定性 [9]，這些都不符合 LDO 低壓低功耗的要求，尤其是驅(qū)動較大負(fù)載的時候。由于零點位于高頻處，所以可以忽略其作用。 相位裕度為： 1111 2 31 8 0 t a n ( ) t a n ( ) t a n ( )G B W G B W G B WPM p p p???? ? ? ? （ 339） 對于比較穩(wěn)定條件的1()GBWp ，2()GBWp ，3()GBWp ， PM為 500。因 SFMMC 與 SMC傳輸函數(shù)中分母相同，因此 SFMMC 非主極點與 SMC一致。具體電路 圖如下所示： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 41 放大器電路圖 如圖所示，在 SFMMC 中， 18~MM構(gòu)成一級運放， 12,ffMM構(gòu)成前饋跨導(dǎo)級。 增益、帶寬仿真 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 對電路進(jìn)行 AC 掃描，三級放大器增益和相角隨頻率變化如下圖所示： 圖（ 42） SFMMC三級誤差放大器增益相角與頻率關(guān)系圖 上圖即為三級誤差放大器增益、相角與頻率關(guān)系圖，由圖可知放大器低頻增益為 。 設(shè) 9 12 35MMI I uA?? 則 67 ( 1 2 )9 ( 1 2 ) 112 283 5 1 0 3 . 8( / ) 2 5 . 5 43 . 4 5 1 0 0 . 60 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0MMp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 設(shè)前饋級電流 1 10mfI uA? 則 10 11 45MMI I uA?? 61 0 ( 1 1 )1 0 ( 1 1 ) 112 2284 5 1 0 3 . 7( / ) 1 8 . 3 33 . 4 5 1 0 0 . 64 . 0 4 2 5 7 1 0 0 . 1 51 . 2 8 1 0MMn o x o nIWLu C V????? ??? ? ? ? ? ??? ??? ? ?? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 第三級運放參數(shù)的計算 設(shè) 14 13 50MMI I uA?? 則 61414 112 285 0 1 0 4 . 3 7( / ) 3 6 . 4 53 . 4 5 1 0 0 . 60 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0MMp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 61313 112 2285 0 1 0 3 . 4( / ) 2 0 . 4 33 . 4 5 1 0 0 . 5 0 24 . 0 4 2 5 7 1 0 0 . 1 51 . 2 8 1 0MMn o x o nIWLu C V????? ??? ? ? ? ? ??? ??? ? ?? 前饋級運放參數(shù)的計算 由之前假設(shè)前饋級電流 1210mf mfI I uA??可得： 61 ( 2 )1 ( 2 ) 112 281 0 1 0 4 . 0 4( / ) 7 . 2 8 1 03 . 4 5 1 0 5 . 5 50 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0MfMfp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 3 1 2 20M b m f m fI I I u A? ? ? 633 112 282 0 1 0 3 . 0 6( / ) 1 4 . 5 6 53 . 4 5 1 0 1 . 0 50 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0MbMbp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 第 二 節(jié) 電路仿真 參數(shù)仿真 經(jīng)過仿真驗證、參數(shù)調(diào)整，各管子的參數(shù)變化情況如下 [21] MOS 管 手算結(jié)構(gòu) 仿真調(diào)整 后結(jié)果 Mb1 ? ?4 ? ? ?2 ? Mb2 ? ?8 /? ? ?8 /? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 M1 ? ?2 ? ? ?8 ? M2 ? ?2 ? ? ?8 ? M3 ? ?2 ? ? ?6 /? M4 ? ?2 ? ? ?6 /? M5 ? ?2 ? ? ?2 /? M6 ? ?2 ? ? ?2 /? M7 ? ?4 /? ? ?6 /? M8 ? ?4 /? ? ?6 /? M9 ? ?4 ? ? ?6 ? M10 ? ?3 ? ? ?2 6/? M11 ? ?3 ? ? ?2 6/? M12 ? ?4 ? ? ?6 ? M13 ? ?3 / ? ? ?2 7/ ? M14 ? ?5 / ? ? ?5 10/? Mb3 ? ?5 /? ? ?9 /? Mf1 ? ?10 / ? ? ?6 / ? Mf2 ? ?10 / ? ? ?6 / ? 參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后各級跨導(dǎo)分別為 1 /mg uA V? ， 2 38 2. 9 /mg uA V? ，50 0. 6 /mLg uA V? 。本章主要是對第四章整體電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計做鋪墊。 SMC 的假設(shè)條件同樣適用于此，傳輸函數(shù)為： ()12 2 21 2 22223 2 2()()()( 1 )( 1 ) ( 1 )ov S M Cinm m f m o mPdcm m m m LpLLod B m m L m m LVsAsVsC g C g CCA s sg g g gCCCgsssp g g g g??????? ? ? （ 340） 放大器直流增益為： 12() 12(0 ) m m m Lv S M C d c o o Lg g gAA g g g?? （ 341） 放大器主極點頻率為： 123 2o o LdB m mL mg g gp g g C? ? （ 342 因此，增益帶寬積為： 31 /d c d B m mG B W A p g C??? （ 343） 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 在穩(wěn)定性分析中可忽略右半平面零點，閉環(huán)傳輸函數(shù)為： 112()12 2021 2 1 2 21()1 ( ) ( 1 )m f mmmc l S M F F Cm f m p LmLm m m m m L m m LgCsggAsg C C CsC C gs s sg g g g g g g??? ? ? ? （ 344） RouthHurwitz 穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的條件為： 212 1 21()1/omp m m f mggC C g g? ? （ 345） 對于較大的負(fù)載電容，放大器的穩(wěn)定性分析通過極點分裂法。因此有助于降低功耗的條件 1mL mgg并不要求一定要滿足。 傳輸函數(shù)為： ()22 2 2222223 2 222 2 22222222()()()( 1 )( 1 ) ( 1 )( 1 )( 1 )ov SM Cinp m f m o mPdcm m L m m LpLLodB m m L m m Lp m f m o mPm m L m m LpLLom m L m m LVsAsVsC g C g CCA s sg g g gCCCgsssp g g g gC g C g CCssg g g gCCCgsssG B W g g g g??????? ? ??????? （ 326） 從傳輸函數(shù)中可以看出，放大器具有兩個非主極點和兩個零點。文獻(xiàn) [8,13]指出如果不滿足此前提條件，那么相位裕度是達(dá)不到 600的。這就涉及到了“增益裕度（ GM）”、“相位裕度（ PM）”，以及“增益交點”、“相位交點”，在實際放大器設(shè)計中 060PM? 認(rèn)為是最合適的值，圖 35 為穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) [3]增益和相位圖。 圖 33 輸出級電路 其輸出擺幅理論上可以達(dá)到全擺幅 ,即在電源電壓 VDD 范圍內(nèi)。 現(xiàn)代 CMOS 工藝所制作的器件，溝道長度調(diào)制非常明顯，一般還不能忽 略其作用。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) (Feedback Network),PMOS調(diào)整管 (Pass Element),及片外電容 (Offchip capacitor)組成；并由此分析了 LDO 的工作原理；在此基礎(chǔ)上引出 LDO 的核心組成部分 —— 誤差放大器，以方便下文對誤差放大器的分析與研究。 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)。由于其容抗很大，所以要求誤差放大器要有很強的驅(qū)動能力。 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)。用 spectre 在 CSMC 工藝下對電路進(jìn)行仿真驗證，并對結(jié)果進(jìn)行分析。但是由于其自身補償復(fù)雜，及 LDO 的補償難度系數(shù)高，使得這類放大器并沒有得到很好的發(fā)展。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。 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。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 )，使得高增益的實現(xiàn)需要更復(fù)雜的電路來實現(xiàn)。 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。 在過去的十年電源技術(shù)可以說是突飛猛進(jìn)。 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。國內(nèi) IC 行業(yè)起步較晚， LDO 的