【正文】 理 想 的 帶 寬增益 (dB)頻 率 （ H z ）變 化 的 主 極 點(diǎn)0PoutI減 小 的 方 向 圖 48 主極點(diǎn)和帶寬隨輸出電流變化的示意圖 ESR電阻 補(bǔ)償方法的第二個(gè)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(lái)了 補(bǔ)償 不精確 的問(wèn)題 [31~32]。通過(guò)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)與合理的設(shè)計(jì)，使得電路的單位增益頻率 UGF(unit gain frequency)內(nèi)只有主極點(diǎn)存在，第一非主極點(diǎn)與零點(diǎn)相互補(bǔ)償，其它非主極點(diǎn)均設(shè)計(jì)在 UGF外，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [28]。隨后引入了嵌套式密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償方法來(lái)保證兩級(jí)級(jí)聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動(dòng)調(diào)整管柵極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本文設(shè)計(jì)的 LDO不采用緩沖級(jí)結(jié)構(gòu)作為誤差放大器的輸出。 誤差放大器 的 設(shè)計(jì)考慮 誤差放大器是 LDO線性穩(wěn)壓器的核心模塊，是用來(lái)將反饋電壓 Vfb和基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較放大，輸出到調(diào)整管的柵極，通過(guò)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。但由于 Idrv不是輸出到負(fù)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(duì)較大。通過(guò) PSRR的零極點(diǎn)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(huì)使單位增益頻率變大，可能導(dǎo)致負(fù)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(gè)零點(diǎn) Z1和第一個(gè)極點(diǎn) 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(duì)環(huán)路 的穩(wěn)定性起著相反的作用； 3） PSRR的第二個(gè)極點(diǎn) P2與輸出電容 Cout成反比，雖然增大輸出電容可以將該極點(diǎn)向前推，獲得較好的 PSRR特性，但該方法同樣可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路的不穩(wěn)定，因此在利用此方法改善 PSRR時(shí)必須同時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的峰值，即 tr maxV?? 和 3V? 。 同時(shí) 由于 LDO的響應(yīng)速度決定了負(fù)載電路恢復(fù)正常工作的能力 ，因此設(shè)計(jì)出的 LDO線性穩(wěn)壓器應(yīng)該具有較好的瞬態(tài)特性。 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(chǎng)合的應(yīng)用。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(gè)負(fù)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)。 第三章從瞬態(tài)、直流、交流三方面對(duì) LDO線性穩(wěn)壓器進(jìn)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。 電荷泵式電壓調(diào)整器通過(guò)電容上電荷積累效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生高于電源的輸出電壓或者負(fù)電壓。2021年，中國(guó)電源管理芯片銷售額達(dá)到了 267億元。 結(jié)果表明：電路 不帶負(fù)載的 靜態(tài)電流為 uA， 系統(tǒng) 帶寬幾乎不隨負(fù)載變化，在輸出電流范圍內(nèi)能保證 較好 的 穩(wěn)定性。其次，從瞬態(tài)、直流、交流三方面對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，闡述 LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與各種參數(shù)的折衷關(guān)系。 過(guò)去 電源管理 IC供應(yīng)一直將關(guān)注重點(diǎn)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。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。例如，國(guó)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(chǎng)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(jī)電源的應(yīng)用。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。 051 01 5 2 02 52 . 53 . 03 . 54 . 04 . 56 07 08 09 01 0 0時(shí) 間 （ 小 時(shí) ）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(shí)間關(guān)系 在實(shí)際應(yīng)用中，分析效率時(shí)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(shí)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。 為了節(jié)省共 用 電池的電量， 在 設(shè)備不工作時(shí)， LDO穩(wěn)壓器上的使能端可以使 LDO進(jìn)入休眠模式，從而達(dá)到省電目的 [13]。 隨著 LDO響應(yīng)負(fù)載階躍變化 的 結(jié)束，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)整時(shí)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。 負(fù)載調(diào)整率的研究 假設(shè)某一時(shí)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(hào)為： 112Fs outFFRVVRR? ? ? ?? (39) 它經(jīng)過(guò)誤差放大器和調(diào)整管的放大后對(duì)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。 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(gè) NPN管和一個(gè) PNP管構(gòu)成。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(zhǎng)比越大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力就越強(qiáng)。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(gè)中低頻極點(diǎn) P1[23~24]。 Carvalho Ferreira等提出的利用工作在弱反型區(qū)的 MOSFET設(shè)計(jì)出超低功耗的基準(zhǔn)電源 [27]。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。 第三個(gè)極點(diǎn) P2來(lái)自誤差放大器內(nèi)部第一級(jí)輸出阻抗 Ro1和第一級(jí)輸出的等效電 32 容 C1。S t a 。 第二個(gè)極點(diǎn) P1來(lái)自于誤差放大器第二級(jí)輸出阻抗 Ro2和 PMOS調(diào)整管柵極等效電容 C2。 H ( s )G ( s )V o u t ( s )V x ( s )V y ( s ) 圖 43 開環(huán)小信號(hào)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(shí)際上，如果對(duì)直流工作點(diǎn)不加考慮，工作狀態(tài)不對(duì)或是無(wú)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(hào)分析結(jié)果肯定是不對(duì)的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基準(zhǔn)電路的低功耗設(shè)計(jì)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(jìn)行低功耗參考源設(shè)計(jì) [26]。所以，我們將誤差放大器的結(jié)構(gòu)定為簡(jiǎn)單的二級(jí)級(jí)聯(lián)放大器上。通過(guò)比較上述五種結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓器低功耗、低漏失、高效率的特點(diǎn)， 選 用 PMOS管作 為 調(diào)整管是最佳的 方案 。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(méi)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]。 所以系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是矛盾的，在設(shè)計(jì) LDO穩(wěn)壓器時(shí)要折衷考慮這兩者的關(guān)系。 當(dāng) Isr足夠大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間主要由系統(tǒng)閉環(huán)帶寬決定。在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(c)所示，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會(huì)明顯下降。 漏失電壓與靜態(tài)電流 漏失電壓 Vdif定義為保證 LDO線性穩(wěn)壓器正常工作時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入輸出電壓間的最小電壓差 [9~10]， 即： m in ,d if in o u t LD OV V V?? 正 常 工 作 (25) 它是反映調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓能力的一個(gè)重要參數(shù)。 第七章是全文總結(jié)，簡(jiǎn)單歸納了本文所做的主要工作。 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi) LDO線性穩(wěn)壓器的研究起步較晚。 直流電源變換器的比較 根據(jù)不同的工作原理可將便攜式穩(wěn) 壓電源 IC分成三類：線性穩(wěn)壓器、開關(guān)式電壓調(diào)整器及電荷泵式電壓調(diào)整器。電源管理 IC供應(yīng)商目前主要利用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 (NS)采用其 “ 低電壓低功耗 CMOS工藝 ” ，來(lái)減小靜態(tài)電流，提高轉(zhuǎn)換效率。 為適應(yīng)電源市場(chǎng)發(fā)展的需要 ，結(jié)合 LDO系統(tǒng)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款低功耗、高穩(wěn)定性 LDO線性穩(wěn)壓器。 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(jiǎn)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(chǎng)的一席之地。 從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，國(guó)內(nèi)電源管理芯片市場(chǎng)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 。從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，電荷泵輸出電流越來(lái)越大，因而常被選作系統(tǒng)的主電源。 第四章建立了 LDO線性穩(wěn)壓器的交流小信號(hào)模型，對(duì)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究。 LDO 的基本性能指標(biāo) 輸出電壓與輸出精度 輸出電壓 Vout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) 。 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 為直流 電壓， 再經(jīng)過(guò) LDO得到所需的輸出直流電壓。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(duì)電容的充電電壓值。 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。 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(chǎng)上主要有雙極型和 MOS 型兩種 LDO 線性穩(wěn)壓器。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 Ib，這就 需要較大的啟動(dòng)電流。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(guò)對(duì)各種結(jié)構(gòu)誤差放大器的分析來(lái)確定最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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。 最后給出這兩種補(bǔ)償方法應(yīng)用于 LDO的仿真并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。 1m ingV 1oR1V 1CinV in 2V 2C21mgVoR 32mgV esrR LC//oLrR 2FR 1FRfbVoutV圖 47 ESR 電阻補(bǔ)償小信號(hào)模型 根據(jù)基爾霍夫電流規(guī)則分別在 V V Vout三點(diǎn)處列出 KCL方程： 11 1 11()( ) ( ) 0m inoVsg V s V s C sR? ? ? (43) 22 1 2 22()( ) ( ) 0moVsg V s V s C sR? ? ? (44) 3212( ) ( ) ( )( ) 01//out out outm o L F Fe s rLV s V s V sg V sr R R RR sC? ? ? ??? (45) 又因?yàn)椋? 112( ) ( ) ( )