【正文】 Ffb o u t o u tFFRV s V s V sRR ???? (46) 由以上四個(gè)方程，消除 V1(s)、 V2(s)、 Vout(s)得到 Vfb(s)與 Vin(s)的比值，即為電路 31 的環(huán)路增益： 1 2 3 1 0 21 1 2 2() ( 1 )( ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 )fb m m m o o u t L e s rV in o o o u t LVs g g g R R R S C RA V s R s C R s C R S C? ?? ? ? ? ? ? (47) 其中 ： gm gm2， Ro Ro2， C C2分 為誤差放大器 的第一、二級(jí) 跨 導(dǎo)、 輸出阻抗 、寄生電容， gm3為調(diào)整管跨導(dǎo)， RF RF2為反饋比例電阻， ro和 RL分別調(diào)整管導(dǎo)通電阻與負(fù)載電阻。 這時(shí)增益仍 將 以十倍頻程 20dB的速率下降， 系統(tǒng) 帶寬因此被展寬，導(dǎo)致誤差放大器內(nèi)部的寄生極點(diǎn)也被包含在 UGF內(nèi) 。很顯然當(dāng)輸出電流較小時(shí)， P0點(diǎn)頻率也較低，從而造成了電路的帶寬隨之也減小，見(jiàn)圖48。系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為： 11212()( ) ( ) ( ) ( ) ( )()y FV V Vx F FVs RA s H s G s A s A sV s R R? ? ? ? (42) 其中 Av1(s)、 Av2(s)分別是誤差放大器、調(diào)整管的交流增益， RF RF2 則是反饋比例電阻。其它模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)將在第五章中給出。前者使誤差放大器的輸出電壓減小了一個(gè)柵源差，從而造成了調(diào)整管 不 能完全關(guān)斷；后者則使誤差放大器的輸出電壓增大了一個(gè)柵源差， 從而造成了調(diào)整管不能完全導(dǎo)通。反之，如果調(diào)整管寬長(zhǎng)比過(guò)小，就會(huì)造成負(fù)載能力較弱，不能提供要求的輸出電流，還可能使得調(diào)整管在較低的輸入電壓、大負(fù)載條件下較早地進(jìn)入線性區(qū)，從而影響穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。這種結(jié)構(gòu)的 LDO最大優(yōu)點(diǎn)是 PNP管處于深飽和狀態(tài)下仍可維持穩(wěn)定輸出，所以漏失電壓較小，即： ( ) 5 ~ ceV V sat V?? (323) 調(diào)整管的靜態(tài)電流直接取決于 PNP調(diào)整管的增益和負(fù)載電流 Io，即： /drv oII?? (324) 其中β是晶體管電流增益，其值一般在 20— 500之間。 18 LDO線性穩(wěn)壓器的 PSRR特性反映了輸出電壓對(duì)輸入噪聲和紋波的抑制能力。 LDO響應(yīng)時(shí)間結(jié)束 后 ，調(diào)整管隨之關(guān)閉，輸出電壓的改變量下降到 4V? ，然后經(jīng) 過(guò) 4t? 時(shí)間調(diào)整， LDO穩(wěn)定輸出。 LDO 系統(tǒng)電路的瞬態(tài)研究 LDO線性穩(wěn)壓器的瞬 態(tài)研究主要關(guān)注其瞬態(tài)響應(yīng)，是指輸入電壓、輸出負(fù)載階躍變化時(shí)引起的輸出電壓的瞬態(tài)脈沖現(xiàn)象和輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間。 線性調(diào)整率表征了穩(wěn)壓器輸入電壓大小變化對(duì)輸出電壓的影響程度，定義為負(fù)載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量之比，即： () 100outVIN o u t N O MVS VV????? ％ (211) 其中， )(NOMoutV 是標(biāo)定的輸出電壓值， INV? 為輸入電壓的變化量， outV? 為 輸入電壓變化引起的輸出電壓的變化量。兩電壓差值通過(guò) 誤差放大器的 放大后直接控制功率調(diào)整元件的柵極，通過(guò)改變調(diào)整元件的導(dǎo)通 狀態(tài)來(lái) 控制 LDO的輸出 端從而獲得穩(wěn)定的輸出 電壓值。 論文章節(jié)安排 本文總共分為七章，其中： 第一章主要闡述了 LDO線性穩(wěn)壓器的研究意義與目的。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路中有一個(gè)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管，工作于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)管功耗較小并且與輸入電壓大小無(wú)關(guān)。 2 三是減小器件的體積 ， 進(jìn)一步提高集成度，并采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，如 CSP、LLP和 Micro SMD等。最后分析了各子模塊電路的結(jié)構(gòu)與工作原理，并給出了 LDO系統(tǒng) 模塊與整體仿真的結(jié)果與分析。通過(guò)建立 LDO電路的交流小信號(hào)模型，計(jì)算得到系統(tǒng)的環(huán)路增益并由此推出電路中零極點(diǎn)的分布位置從而獲得研究系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的途徑。 比如，負(fù)載器件在不同工作負(fù)荷下不必一律讓其處于全速運(yùn)行狀態(tài)；再如，負(fù)載器件在待機(jī)和工作狀態(tài)下不必供應(yīng)同樣的功率。如凌特公司 (Linear Technology)推出的輸入電壓可低至 300mA的 LDO線性穩(wěn)壓器，在滿負(fù)載電流時(shí)只有 45mV的極低漏失電壓。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究目的 從以上分析可以看出一方面電源管理芯片市場(chǎng)的飛速發(fā)展給工作效率不高但成 本上具有優(yōu)勢(shì)的 LDO 線性穩(wěn)壓器帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間；另一方面便攜式電子產(chǎn)品對(duì)低功耗的強(qiáng)烈要求，使得 LDO 穩(wěn)壓器必須具有較小靜態(tài)電流的特點(diǎn)。 LDO 的結(jié)構(gòu)與工作原理 基本的 LDO線性穩(wěn)壓器 包括 誤差放大器、調(diào)整元件、 基準(zhǔn)與偏置電路以及反饋比例電阻網(wǎng)絡(luò)，再加上諸如 過(guò)溫、限流 、電池極性反轉(zhuǎn)等 保護(hù)電路 就構(gòu)成了一個(gè)完整的 LDO系統(tǒng) [4~6]。另外，在小負(fù)載電流時(shí)，穩(wěn)壓器的效率將受靜態(tài)電流的限制，比如輸出電流等于輸入電流的一半 時(shí) ，穩(wěn)壓器的效率將減 小 一半，因此當(dāng)設(shè)備處 于“待 10 機(jī)”時(shí)靜態(tài)電流將決定 電池的使用壽命。然后，重點(diǎn)說(shuō)明了 LDO的幾組關(guān)鍵性能指標(biāo)， 為 后續(xù)章節(jié) 對(duì) LDO進(jìn)行瞬態(tài)、直流、交流 三方面的 研究 作好 鋪墊， 最后介紹了 LDO穩(wěn)壓器 在 幾種典型 場(chǎng)合下的 應(yīng)用。而調(diào)整時(shí)間 2t? 的確定主要依賴于調(diào)整管輸出電流驅(qū)動(dòng)輸出電容和旁路電容的能力，以及系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)的相位裕度參數(shù)。因此，輸入輸出電壓關(guān)系為： 1211 ()out FFin F m a m p o a z o nV RRV R g g R R R? ????? (314) 和負(fù)載調(diào)整率一樣，只要提高了反饋環(huán)路的開(kāi)環(huán)增益就可以減小電壓調(diào)整率。為了使之能夠正常工作，漏失電壓應(yīng)大于一個(gè) PN結(jié)正向?qū)▔航蹬c PNP飽和壓降之和，即： ( ) ce beV V sat V V? ? ? (322) 以上兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整管穩(wěn)壓器具有相對(duì)較小的靜態(tài)電流，因?yàn)檎{(diào)整管 NPN管的驅(qū)動(dòng)電流由 PNP管的集電極電流注入，驅(qū)動(dòng)電流直 接經(jīng)過(guò)大調(diào)整管 NPN管放大輸出給了負(fù)載。但 類型 參數(shù) 達(dá)林頓管 NPN PNP PMOS 最大輸出電流 高 高 高 中 靜態(tài)電流 中 中 大 小 漏失電壓 Vsat+2Vbe Vsat+Vbe Vce Vsat 效率 低 中 高 高 22 如果一味地增大調(diào)整管的寬長(zhǎng)比，其柵極寄生電容 Cpar也會(huì)增加，造成誤差放大器擺率的降低；同時(shí)使相應(yīng)的寄生極點(diǎn)左移，減小相位裕度，從而可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這樣通過(guò)緩沖級(jí)就可以避免采用較大的輸出電容補(bǔ)償 P1，而且系統(tǒng)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性也會(huì)得到較大的改善。 總之，設(shè)計(jì)出的基準(zhǔn)電壓源模塊不僅應(yīng)該具有低功耗、高電源 抑制比的特性，而且為了滿足 LDO輸出電壓的高精度，基準(zhǔn)電壓應(yīng)該對(duì)溫度和工藝模型的敏感度較小。也可以采用電阻來(lái)等效，用交流阻值極小而直流阻值極大的電阻模型代替電容來(lái)隔直流，用交流阻值極大而直流阻值極小的電阻代替 29 電感來(lái)隔交流，見(jiàn)圖 44。 零點(diǎn) Z0則來(lái)自于輸出電容的等效串聯(lián)電阻 Resr和輸出電容 CL，一般應(yīng)設(shè)計(jì) 使 得Z0與系統(tǒng)的第一非主極點(diǎn) P1近似相等，從而讓兩者相抵消達(dá)到頻率補(bǔ)償?shù)哪康摹? Gain [dB]POZE S RPaPbPhase [176。如果調(diào)整管的輸出電阻 ro遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻 RL和反饋比例電阻 RF RF2，則 (48)式可以化簡(jiǎn)為 0 112 2 2 outo u t L o L LIP R C r C C?? ? ?? ? ? (412) 從上式可以看出主極點(diǎn) P0的位置并不是固定不變的，而是隨輸出電流的變化左右移動(dòng)。 理 想 的 開(kāi) 環(huán) 點(diǎn)不 推 薦 的 開(kāi) 環(huán) 點(diǎn) 圖 42 開(kāi)環(huán)斷點(diǎn)的選擇 斷開(kāi)負(fù)反饋環(huán)路時(shí)可以嘗試著在某一高阻點(diǎn)處斷開(kāi)，因?yàn)楦咦杩裹c(diǎn)對(duì)低頻段的零極點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生什么影響。因此在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓模塊的時(shí)候，不但要考慮基準(zhǔn)隨溫度的漂移，還要考慮基準(zhǔn)隨工藝模型的變化。因此，本文將放大器的結(jié)構(gòu)鎖定在二級(jí)放大結(jié)構(gòu)或共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)放上。加之 MOS管的導(dǎo)通電阻較小，因此這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器具有較小的漏失電壓。而且為了防止雙極型調(diào)整管進(jìn)入飽和狀態(tài)而降低輸出能力，輸入輸出之間必須維持一定的壓差， 因 而無(wú)法提高電源轉(zhuǎn)換效率； MOS型器件有極低的靜態(tài)功耗，并且具有集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，寬的電源電壓范圍以及較寬的輸出電壓幅度。因此，就要犧牲功耗，增大誤差放大器的靜態(tài)電流，以獲得較快的響應(yīng)速度。 閉環(huán) 響應(yīng)時(shí)間 1t? 在 典型情況下 是 由輸出電容 Cout、最大負(fù)載電流 Io(max)和可允許的最大輸出變化量 GV? 確定的 [15~16]。這樣不僅給后續(xù)電路提供穩(wěn)定的電壓，而且隨著電池工作時(shí)間的推移，也提高了 LDO的工作效率。 但 由于固定 輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求， 因此也可以 外接 反饋比例電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)外接 電阻阻值獲得需要的輸出電壓。 主要包括基準(zhǔn)與偏置電路、恒定限流電路和短路保護(hù)電路 等模塊。一些國(guó)外知名的半導(dǎo)體廠商如 TI、 MAXIM、 NS等都有比較完整的 LDO產(chǎn)品系列。近年來(lái)，筆記本 電腦 、數(shù)碼相機(jī)和其它 IT產(chǎn)品的生產(chǎn)基地大規(guī)模向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)已經(jīng)成為世界 IT產(chǎn)品的生產(chǎn)基地；加之 “ 十一五 ” 規(guī)劃已經(jīng)明確要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來(lái) 有 利于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策還將繼續(xù)推出 ； 2）下游制造市場(chǎng)的拉動(dòng)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，電源管理 技術(shù)也 在 不斷進(jìn)步。 I 摘 要 隨著電源管理 IC技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能低成本的電源管理芯片越來(lái)越受到用戶的青睞。 LDO 線性穩(wěn)壓器的研究意義 電源管理 IC 的發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，各種便攜式電子產(chǎn)品的普及與產(chǎn)品功能的豐富， 對(duì)電源管理 IC提出了諸如高集成度、高性價(jià)比、高效率等要求。未來(lái)幾年， 由 于以下因素 的影響 ， 國(guó)內(nèi) 電源管理芯片市場(chǎng)還 將 繼續(xù) 保持快速發(fā)展的勢(shì)頭 ： 1） 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)境 趨 好。 4 LDO 線性穩(wěn)壓器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前 ， LDO線性穩(wěn)壓器在國(guó)外經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展 ， 其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。 第五章是對(duì) LDO穩(wěn)壓器關(guān)鍵模塊電路的設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)。一般 固定輸出電壓 LDO線性穩(wěn)壓器 是經(jīng)過(guò) 設(shè)計(jì)廠商 精密調(diào)整 ，輸出電壓 精度 也 很高。 由于 各種電池的 輸出 電壓 在工作一段時(shí)間后 都 會(huì)下降， 為了保證電池輸出電壓 的 恒定，通常都 會(huì) 在電池輸出端接入 LDO線性穩(wěn)壓器，如圖 24(b)所 示。這里 esrV?是輸出電壓 的 變化在輸出電容的 ESR電阻上產(chǎn)生的壓降 并 正比于 esrR 。因?yàn)閹挼脑黾樱枰纳鷺O點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻 率也相應(yīng)增加， 16 這樣就需要增大靜態(tài)電流而減小寄生極點(diǎn)的阻抗。但其功耗大，集成度低，無(wú)法滿足集成規(guī)模越來(lái)越大的系統(tǒng)集成要求。 圖 33(d)、 (e)為 MOS型調(diào)整管，由于它是壓控元件，所以在輸出電流增加時(shí)不會(huì)要求相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電流增加，而且 MOS管的柵極阻抗極大，其柵極電流可以忽略不計(jì)。使用一級(jí)誤差放大器結(jié)構(gòu)的 LDO，由于低頻增益不夠大，所以其直流參數(shù)不會(huì)太好；而使用三級(jí)或三級(jí)以上結(jié)構(gòu)的誤差放大器，不僅 增大了結(jié)構(gòu)對(duì)地的支路電流，而且使系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償方案復(fù)雜化。下面將這兩種漂移綜合考慮： 假設(shè)基準(zhǔn)電壓隨溫度和模型變化總的漂移為 refV? ，由它引起的輸出電壓的變化量為 ,orefV? ， 則： , [ ( ) ]ou t o r e f m a oa m p ou t fb r e f r e fV V g R g R V V V? ? ? ? ? ? (327) 反饋電壓為： 1 ,12 ()Ffb o u t o refFFRV V VRR? ? ?? (328) 聯(lián)合式 (327)、 (328)，可得： 1,12[ ( ) ( ) ]Fo u t o r e f m a o a m p o u t o u t o r e f r e f r e fFFRV V g R g R V V V VRR? ? ? ? ? ? ? ?? 121 1 2( ) ( )()F F m a o a m p o u t r e f r e fF m a o a m p o u t F FR R g R g R V VR g R g R R R? ? ?? ?? (329) 由于 1m