【正文】 gdpgGZ 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。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]。當(dāng)負(fù)載電流 Io增加時，基極驅(qū)動電流 Idrv也隨之增大。通過比較上述五種結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效率的特點， 選 用 PMOS管作 為 調(diào)整管是最佳的 方案 。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比。所以，我們將誤差放大器的結(jié)構(gòu)定為簡單的二級級聯(lián)放大器上。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晶體管從飽和區(qū)進入線性區(qū)。國內(nèi)外學(xué)者對基準(zhǔn)電路的低功耗設(shè)計研究得較多，比如： Filanovsky .等指出工作在亞閾值區(qū) MOSFET的柵源電壓滿足準(zhǔn)指數(shù)關(guān)系，可以取代雙極晶體管進行低功耗參考源設(shè)計 [26]。 27 4 LDO 穩(wěn)定性研究 與補償方式的確定 本章首先介紹測試負(fù)反饋環(huán)路增益 的相關(guān)理論 ， 對 LDO線性穩(wěn)壓器進行交流小信號建模，推導(dǎo)出系統(tǒng)的開環(huán)增益與零極點 位置分布，指出傳統(tǒng)的采用輸出電容和等效串聯(lián)電阻補償方案的缺陷。 H ( s )G ( s )V o u t ( s )V x ( s )V y ( s ) 圖 43 開環(huán)小信號等效模型 如果不考慮直流工作的變化，那么環(huán)路傳輸函數(shù)為 )()()( )()( sGsHsV sVsA xyV ?? (41) 實際上，如果對直流工作點不加考慮，工作狀態(tài)不對或是無法正確模擬環(huán)路的工作狀態(tài)，那么開環(huán)的環(huán)路小信號分析結(jié)果肯定是不對的。 V r e fP M O SA M PV x ( s )V y ( s )V c c1FR 2FR 圖 45 LDO 環(huán)路增益測試的示意圖 傳統(tǒng) ESR 電阻補償 傳統(tǒng) ESR 電阻補償原理 傳統(tǒng)的 LDO補償方式是在輸出電壓端外接大電容 CL與等效串聯(lián)電阻 Resr，利用 CL與 Resr產(chǎn)生零點補償電路中的第一非主極點， CL與輸出端等效負(fù)載則構(gòu)成系統(tǒng)的主極點。 第二個極點 P1來自于誤差放大器第二級輸出阻抗 Ro2和 PMOS調(diào)整管柵極等效電容 C2。因此， ESR補償方法的缺陷之一就是電路的帶寬隨輸出電流的變化而變化，較小的帶寬會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能與 PSRR指標(biāo)。S t a 。 當(dāng)輸出電容 CL和等效串聯(lián)電阻 Resr都比較大時，零點補償頻率會很靠前，接近第 一非主 極點甚至是主極點 。 第三個極點 P2來自誤差放大器內(nèi)部第一級輸出阻抗 Ro1和第一級輸出的等效電 32 容 C1。 30 outVLC1mgrefV 2FR 1F LR2mg1oR1C esrRfb inV 3mgoR2C 圖 46 ESR 電阻補償原理圖 圖 46為利用 ESR(equivalent series resistance)電阻進行補償?shù)碾娐吩韴D，其小信號等效模型如圖 47所示。利用電感的隔交流特性和電容的隔直流特性可以獲得交流開路、直流閉合的效果。并對嵌套式密勒補償中調(diào)零電阻可能存在的位置進行分析，確定了最合適的補償結(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。 Carvalho Ferreira等提出的利用工作在弱反型區(qū)的 MOSFET設(shè)計出超低功耗的基準(zhǔn)電源 [27]。 基準(zhǔn)電路的設(shè)計考慮 24 LDO線性穩(wěn)壓器電路內(nèi)部需要高性能的基準(zhǔn)電壓源 ，為誤差放大器等模塊提供穩(wěn)定的偏置電壓。一些研究表明由于調(diào)整管的尺寸較大，因而在其柵極有較大的寄生電容；又由于誤差放大器的輸出阻抗也較 大，從而在調(diào)整管的柵極出現(xiàn)一個中低頻極點 P1[23~24]。誤差放大器的設(shè)計參數(shù)主要包括：增益、輸出阻抗、帶寬、輸出擺 率電流、輸出電壓擺幅和靜態(tài)電流等 [22]。作為輸入端向負(fù)載提供輸出電流的通道，調(diào)整管的寬長比越大，驅(qū)動負(fù)載的能力就越強。以 PNP管為調(diào)整管還有另一個缺點，就是當(dāng)電路進入非穩(wěn)壓區(qū)域 (dropout region)的時候，它往往也會進入飽和狀態(tài)，造成 PNP晶體的電流增益 β 值下降。 20 （ a ） 達(dá) 林 頓 N P N 結(jié) 構(gòu) （ b ） N P N 結(jié) 構(gòu)（ c ） P N P 結(jié) 構(gòu)（ d ） P M O S 管 結(jié) 構(gòu) （ e ） N M O S 管 結(jié) 構(gòu) 圖 33 幾種類型的 LDO調(diào)整管 圖 33(a)所示為 NPN達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)的調(diào)整管，由兩個 NPN管和一個 PNP管構(gòu)成。此外，大尺寸的電容也會增加系統(tǒng)成本。 負(fù)載調(diào)整率的研究 假設(shè)某一時刻輸出電流變化 oI? ，由此引起的輸出電壓變化為： out o outV I R? ?? ? (38) 對于由調(diào)整管、誤差放大器和反饋比例電阻構(gòu)成的閉合回路來說，輸出電壓變化outV? 被采樣反饋給誤差放大器輸入端的電壓信號為： 112Fs outFFRVVRR? ? ? ?? (39) 它經(jīng)過誤差放大器和調(diào)整管的放大后對輸出電流的影響變?yōu)椋? 112Fo s m a m p o u t m a m p o aFFRI V g g V g g RRR? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? (310) 由 (310)式得 ： 1211out FFo u t m a m p o a FV RRI g g R R? ???? ? ? (311) 從上式就可以得知負(fù)載調(diào)整率與系統(tǒng)電路的開環(huán)增益成反比，系統(tǒng)的直流增益越大， LDO穩(wěn)壓器 的負(fù)載調(diào)整率就越好。這是因為負(fù)載階躍時，會 由 outC 首 先提供部分電流來滿足階躍輸出電壓的改變，此時附加的 bC 同樣可以提供部分電流，這樣相當(dāng)于減緩了 outC 提供電流變化而 造成 電壓下降的強度。 隨著 LDO響應(yīng)負(fù)載階躍變化 的 結(jié)束，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整時間 2t? 后，輸出電壓重新穩(wěn)定，比 標(biāo)稱輸出電壓 值減小了 2V? ， 其 變化量 2V? 可以用式 (33)表示： 2 (max)o reg OV R I??? (33) 其中， oregR? 是 LDO系統(tǒng)的閉環(huán)輸出阻抗，是調(diào)整管導(dǎo)通電阻減小 ( VA??1 )倍后的輸出 ， Io(max)是負(fù)載階躍變化量。 輸出電壓（V）時 間 （ s ）1t?2t? 4t?2V? outVloadI3V? 4?trmaxV?? 3t? 圖 31 LDO 線性穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)圖 圖 31為典型的 LDO線性穩(wěn)壓器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線 [14]。 為了節(jié)省共 用 電池的電量， 在 設(shè)備不工作時， LDO穩(wěn)壓器上的使能端可以使 LDO進入休眠模式，從而達(dá)到省電目的 [13]。圖 24所示為LDO的四種 典型應(yīng)用。 051 01 5 2 02 52 . 53 . 03 . 54 . 04 . 56 07 08 09 01 0 0時 間 （ 小 時 ）電池電壓（V，三節(jié)堿性電池）效率 （%）電 池 電 壓效 率 曲 線 圖 23 LDO效率與電池輸出電壓的時間關(guān)系 在實際應(yīng)用中，分析效率時還必須清楚：由于電池不是理想電源，它具有輸出電阻，因此供電時它的輸出電壓是逐漸下降的，電池的這種特性是非常有利于LDO線性穩(wěn)壓器工作效率的提高。 在實際電路中由于 1A??? ，所以 (21)式可以寫成： 121ref FFo u t refFV RRVV R? ?? ? ? (23) 由式 (23)可知， LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓只取決于基準(zhǔn)電壓和反饋系數(shù)，而與輸入電壓和負(fù)載電流的大小無關(guān)。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。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)。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(fù)載應(yīng)用； SGM2021/2021/2021系列 RF LDO更適合于手機電源的應(yīng)用。 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。一般認(rèn)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。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(dá)到 735億元人民幣。 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(fù)載器件分 配不同的功率。 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