【正文】 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)。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。 Single Miller Capacitor。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。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。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。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(jì)。 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。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 綜上所述，國際上放大器技術(shù)的研究設(shè)計(jì)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。 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(jì)；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(jì)提出的各項(xiàng)指標(biāo)對電流進(jìn)行分配從而計(jì)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)。 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。另外，由于調(diào)整管流過的電流很大，因此還要注意散熱。通過誤差放大器后，在 1t時(shí)刻，使得 MPT 柵極電壓上升，從而使得柵 — 源電壓絕對值 | GSV |下降，再由公式 23 可得：電流在 t2 時(shí)刻 2outI 下降到 1outI 輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，這里211 39。 輸入級 由于第一級放大器主要作用是使輸入共模電壓的范圍最大化 ，并且提供主要的增益，比較共源共柵放大器與折疊共源共柵的優(yōu)缺點(diǎn)，由于共源共柵結(jié)構(gòu)的輸入共模電壓范圍較低，根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通常第一級一般采用折疊共源共柵電路 [3]，如圖 31 所示： 圖 31 折疊共源共柵放大器 首先 ,此電路單端輸出的最大電壓擺幅： , m a x , m i n 4 6 8 1 0( | | | | )o u t o u t D D O D O D O D O DV V V V V V V? ? ? ? ? ? （ 31） 放大器跨導(dǎo)為： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 1 2 1 , 2( / )m m m p o xG g g u C W L I s s? ? ? （ 32） 輸出電阻可用小信號分析法得到： 6 6 6 1 4 8 8 8 1 0[ ( ) ( || ) ] || [ ( ) ]o u t m m b d s d s d s m m b d s d sR g g r r r g g r r? ? ? （ 33） 綜合式（ 22）、（ 23），可得到： 1 6 6 6 1 4 8 8 8 1 0.[ ( ) ( || ) ] || [ ( ) ]v m o u t m m m b d s d s d s m m b d s d sA G R g g g r r r g g r r? ? ? ? （ 34） 計(jì)算輸出點(diǎn)總電容： 6 6 8 8 1o u t G D D B G D D B LC C C C C C? ? ? ? ? （ 35） 式中， 1LC 是此折疊式共源共柵放大器的負(fù)載電容 ； 2 ( )D B S B j j s wC C W L C W L C? ? ? ? （ 36） W、 L 為器件寬和長 ， jC 和 jswC 分別為單位面積和單位長度電容； GD ovC W C?? ，（ ovC 為單位寬度交疊電容） 由上可見偏置電壓 1 2 3,b b bV V V 的選擇很重要，需要在擺幅、偏置電流與增益之間平衡，提升 DDV 能增加擺幅，但這無疑是消耗了更多的功耗；減小層疊數(shù) ,也可達(dá)到相同目的，但是會減小增益，所以要采用多級放大器級聯(lián)的方式來解決問題。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 對于圖 32(b)所示的電流源負(fù)載共源級 ,跨導(dǎo)為 MN 管的跨導(dǎo) — mNg ， 輸出電阻為： ,//ds MN ds MPrr，由于 1()ds DSrI? ?? ，正比于 L， 所以其值很大 ,電路增益可以得到提高。因此研究一個三級放大器的重中之中是研究采用什么樣的結(jié)構(gòu)來既能保證電路的穩(wěn)定性，又能使電路面積最小。放大器系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過以下三種較為實(shí)際的方法可以得到：（ 1）采用極點(diǎn)分裂法；（ 2）采用極點(diǎn)復(fù)數(shù)法；）（ 3）采用零極相消法。因此，我們需要一種能驅(qū)動較大負(fù)載的低壓低功耗的補(bǔ)償方 式。閉環(huán)傳輸函數(shù) ()22021 2 2320 1 2 31()1 ( ) ( 1 )1c l SM CpLmLm m m L m m LAs CCsC C gssg g g g ga s a s a s a?? ? ??? ? ? （ 330） 其中， 20 12p L mm m mLC C Ca g g g? （ 331） 02112Lmm m mLg C Ca g g g? （ 332） 2 1mmCa g? （ 333） 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 3 1a? （ 334） 根據(jù)特征轉(zhuǎn)移方程（ 330） 并結(jié)合 RouthHurwitz 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，可得 1 2 0 302 120mpma a a agg G B WCC??? ? ? （ 335） 只有當(dāng)上式滿足時(shí)，系統(tǒng)才無條件穩(wěn)定。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 放大器的瞬態(tài)響應(yīng)包括轉(zhuǎn)換速率和建立時(shí)間。零點(diǎn)為： 1 2 1( / )L H P m m m f mZ g g g C? 1 1 2 1 2 1 1 1 2 2( ) / ( ) ( ) / ( ) ( ) / ( ) ( )R H P m f m L m P m m m f m m f m L m P m pZ g g g C g g g C g g g C C C? ? ?右半平面零點(diǎn)在高頻處可忽略不計(jì) 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???? ? ? ? 其結(jié)果為 750 以上相位裕度的計(jì)算采用了零極相消法 則 1221 21 m m LL H P m f v m L mg g Cp Z g A g C? ? ? 在 SFMMC 中，相位裕度的理論值是 75 度，因此，為了獲得較高的帶寬在不犧牲放大器穩(wěn)定情況下補(bǔ)償電容 Cm可 相對減小。第二級放大器則由 9 12~MM構(gòu)成 。圖（ 321）是相位裕度和 f3dB 的精確計(jì)算，由圖知， SFMMC相位裕度為 ， f3dB 為 。 則 62 112 282 2 1 6 1 0 3 . 0 6( / ) 2 3 . 3 83 . 4 5 1 0 1 . 0 50 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0ssMbp o x o nIWLu C V????? ??? ? ? ? ? ??? ????? 設(shè) 0 / 4 4ssI I uA??則 121 3 . 0 6( / ) ( / ) 24 1 . 0 5M b M bW L W L ??? ? ? ???? 122ssMMIII?? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 61 ( 2 ) 112 281 6 1 0 3 . 5( / ) 1 1 . 6 5 23 . 4 5 1 0 0 . 60 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0ssMp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 34 (1 ~ 2 )M M ssI I I?? ，令 3420MMI I uA?? 63 ( 4 )3 ( 4 ) 112 2282 0 1 0 4 . 2( / ) 8 23 . 4 5 1 0 1 . 0 54 . 0 4 2 5 7 1 0 0 . 1 51 . 2 8 1 0MMm o x o nIWLu C V????? ??? ? ? ? ? ??? ??? ? ??5 6 7 8 12M M M MI I I I uA? ? ? ? 65 ( 6 )5 ( 6 ) 112 2281 2 1 0 2 . 6( / ) 5 23 . 4 5 1 0 1 . 0 54 . 0 4 2 5 7 1 0 0 . 1 51 . 2 8 1 0MMn o x o nIWLu C V????? ??? ? ? ? ? ??? ??? ? ?? 67 ( 8 )7 ( 8 ) 112 281 2 1 0 4 . 2 4( / ) 8 . 7 43 . 4 5 1 0 1 . 9 50 . 0 2 1 9 5 0 . 1 51 . 2 4 1 0MMp o x o nIWLu C V???? ??? ? ? ? ? ??? ????? 第二級運(yùn)放參數(shù)的計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，第二級放大器增益應(yīng)該大，因?yàn)?m outA g R? ， 2mDgI?? ，所以大的二級增益需要較大的輸入電流。其次，對電路的頻率補(bǔ)償方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，分別介紹了 NMC 結(jié)構(gòu)， SMC 結(jié)構(gòu)以及SMFFC 結(jié)構(gòu)，并分別對這幾種補(bǔ)償方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。左半平面零點(diǎn)位于第一非主極點(diǎn)附近，且提供的正相位能夠抵消第一非主極點(diǎn)的負(fù)相位。 非主極點(diǎn)為： 2 /meff Lp G C? （ 336） 3 2 2( / ) ( / )O p m e ff Lp g C G C?? （ 337） 其中， 22( / )m eff m m L oG g g g? 為了穩(wěn)定放 大器，第二和第三級應(yīng)該滿足如下條件： 23(1 / 2 ) (1 / 4 )G B W p p?? 結(jié)合上式，得 121 (2 )mmLv m LgCCAg? （ 338） 因此，選擇合適的第二級增益可以減小補(bǔ)償電容的電容值。 小信號分析前提假設(shè)： ① 放大器每級增益都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1； ② 寄生電容 CP1， Cp2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)償電容 Cm和負(fù)載電容 CL； 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 ③ 前饋級跨導(dǎo) gmf 與第三級跨導(dǎo) gmL相等。但是，要滿足前 提條件 — 12,mL m mC G G ， 將消耗大量的功耗。條件可表示為： | ( ) | 1A A s F?? （ 318） 0[ ( ) ] 180A s F? ? ? ? ? （ 319） 要避免系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須把總的相移減至最小，以使當(dāng) | ( ) | 1A s F ? 時(shí)，0180??? （理論值）。由于圖 (a)源極跟隨器的電壓擺幅遠(yuǎn)沒有推挽式結(jié)構(gòu)性能良好，一般不采用，所以下面分