【正文】 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。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。 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)。 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。 二是最大限度地提高負載器件的功率利用效率。2021年，中國電源管理芯片銷售額達到了 267億元。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。 電荷泵式電壓調(diào)整器通過電容上電荷積累效應(yīng)來產(chǎn)生高于電源的輸出電壓或者負電壓。但經(jīng)過幾年的高速發(fā)展，也有一些電源芯片設(shè)計公司推 出了比較優(yōu)秀的 LDO芯片。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對 LDO線性穩(wěn)壓器進行全面分析，研究了系 5 統(tǒng)主要參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系與各種折衷關(guān)系。 6 2 LDO 線性穩(wěn)壓器的簡介 LDO線性穩(wěn)壓器 按其靜態(tài)電流來分，可分為 OmniPower、 MicroPower、NanoPower三種類型。從圖 中可以看出由誤差放大 器、調(diào)整元件和反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個負反饋環(huán)路所以： 1 refout AVV A??? ? (21) 112FFFRRR? ? ? (22) 其中， A 為 LDO反饋環(huán)路的開環(huán)增益， ? 為反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。對采用 PMOS 管作為調(diào)整管的電路，漏失電壓為導(dǎo)通電阻 Ron 和負載電流 Iout 的乘積 : dif on outV R I?? (26) LDO線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流又叫接地電流，定義為芯片不加負載時，電路正常工作時內(nèi)部消耗的電流，它等于輸入電流與輸出電流之差 [11]，即 : q in outI I I?? (27) outIin outVOUTING NDL D OoutC esrRqIinI dif?? ?? 圖 22 漏失電壓與靜態(tài)電流示意圖 9 功耗與效率 LDO線性穩(wěn)壓器的功耗 PW為： ()W in in o u t o u t in o u t o u t in qP V I V I V V I V I? ? ? ? ? ? ? ? ? (28) (28)式中，第一項是調(diào)整管上產(chǎn)生的功耗，第二項則是芯片靜態(tài)電流功耗 ，因而LDO的 工 作效率為 [12]： 100%()out outout q inVII I V? ????? (29) 式 (29)說明了 LDO線性穩(wěn)壓器的效率與漏失電壓和靜態(tài)電流有關(guān)，低漏失電壓、小靜態(tài)電流則意味著 LDO電路具有低功耗、高效率的特點。 LDO 的基本應(yīng)用 LDO線性 穩(wěn)壓 器 作為直流電壓轉(zhuǎn)換器，適用于多種場合的應(yīng)用。 在某些應(yīng)用中，比如無線電通信設(shè)備 中 通常只有一 組 電池供電，但 設(shè)備中的各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只 LDO穩(wěn)壓器供電 ，如圖24(d)所示。 同時 由于 LDO的響應(yīng)速度決定了負載電路恢復(fù)正常工作的能力 ，因此設(shè)計出的 LDO線性穩(wěn)壓器應(yīng)該具有較好的瞬態(tài)特性。因此 在高速 LDO電路的設(shè)計中 常 常 需要犧牲功耗，將 Isr設(shè) 置 得 較大，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由以上的分析 可以看到附加的高頻旁路電容 (低 ESR)減小了負載瞬態(tài)響應(yīng)的峰值，即 tr maxV?? 和 3V? 。 LDO 系統(tǒng)電路的直流研究 在 LDO線性穩(wěn)壓器的直流研究中，應(yīng)該重點考慮系統(tǒng)電路的負載調(diào)整率和線性調(diào)整率 這 兩項指標(biāo)，它們都是靜態(tài)參數(shù)，在分析時可以不考慮電路中的儲能元件[18]。通過 PSRR的零極點分析，可以得出以下結(jié)論： 19 1） 誤差放大器的直流增益 (0)OTAAV 決定了低頻段的 PSRR，直流增益越高，低頻段的 PSRR特性越好；但是高增益的放大器將會使單位增益頻率變大，可能導(dǎo)致負反饋環(huán)路穩(wěn)定性變差，因而需要與穩(wěn)定性同步考慮； 2） PSRR的第一個零點 Z1和第一個極點 P1分別與放大器的帶寬、環(huán)路的增益帶寬積成正比，它們應(yīng)盡可能靠近，但它們同樣對環(huán)路 的穩(wěn)定性起著相反的作用； 3） PSRR的第二個極點 P2與輸出電容 Cout成反比，雖然增大輸出電容可以將該極點向前推，獲得較好的 PSRR特性，但該方法同樣可能會導(dǎo)致整個環(huán)路的不穩(wěn)定，因此在利用此方法改善 PSRR時必須同時考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 調(diào)整管類型的選擇 集成穩(wěn)壓器曾先后采用了 NPN達林頓管、 NPN、 PNP、 NMOS和 PMOS管作為調(diào)整管器件，下面分別對其進行簡單介紹 [21]。但由于 Idrv不是輸出到負載，而是 直接輸出到地，所以采 21 用 PNP作為調(diào)整管的線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流相對較大。 PMOS調(diào)整管尺寸的選擇 PMOS調(diào)整管的尺寸是由芯片要求的最 大輸出電流和最小漏失電壓決定的。 誤差放大器 的 設(shè)計考慮 誤差放大器是 LDO線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是用來將反饋電壓 Vfb和基準(zhǔn)電壓Vref進行比較放大，輸出到調(diào)整管的柵極，通過調(diào)節(jié)功率管的工作狀態(tài)，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。 最后來權(quán)衡在誤差放大器與調(diào)整管之間是否應(yīng)該增加緩沖級。因此，本文設(shè)計的 LDO不采用緩沖級結(jié)構(gòu)作為誤差放大器的輸出。 Ka Nang Leung等提出的利用 PMOS和 NMOS管的柵源壓差來設(shè)計基準(zhǔn)電源 。隨后引入了嵌套式密勒補償和動態(tài)零點補償方法來保證兩級級聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動調(diào)整管柵極拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，從某種意義上來 V x ( s )V o u t ( s )H ( s )G ( s )V y ( s )V x ( s )V o u t ( s )H ( s )G ( s )V y ( s )??R 1)( ?? jwcRjw lR ? 0?R直 流直 流交 流交 流 圖 44 傳輸函數(shù)的近似模型分析 說，所謂斷開環(huán)路僅 僅是斷開交流小信號環(huán)路，而環(huán)路的直流信號環(huán)路仍然閉合，并且應(yīng)該得到正確的偏置。通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)與合理的設(shè)計，使得電路的單位增益頻率 UGF(unit gain frequency)內(nèi)只有主極點存在，第一非主極點與零點相互補償，其它非主極點均設(shè)計在 UGF外，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [28]。較大的調(diào)整管尺寸，使得該管柵極寄生電容也較大，所以該處形成了系統(tǒng)的第一非主極點。 理 想 的 帶 寬增益 (dB)頻 率 （ H z ）變 化 的 主 極 點0PoutI減 小 的 方 向 圖 48 主極點和帶寬隨輸出電流變化的示意圖 ESR電阻 補償方法的第二個缺陷就是選用的輸出電容值與 ESR電阻阻 值都有一定的范圍限制，而且 ESR電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化較大，也 給系統(tǒng) 帶來了 補償 不精確 的問題 [31