【導(dǎo)讀】LDO線性穩(wěn)壓器以其低噪聲、高電源抑制比、微功耗和簡單的外圍。電路結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種直流穩(wěn)壓電路中。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。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)。與各種參數(shù)的折衷關(guān)系?；瑥亩_立最終的系統(tǒng)架構(gòu)。通過建立LDO電路的交流小信號(hào)模型，計(jì)算得到。針對(duì)文中采用的兩級(jí)級(jí)聯(lián)誤差放大器直接驅(qū)動(dòng)調(diào)整管柵極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入嵌套式密勒補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償兩種方法來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。消除了右半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。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。輸入電壓、溫度組合下進(jìn)行前仿真驗(yàn)證。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。

　　

【正文】 C 、 oaC 分別為調(diào)整管柵極和誤差放大器等效輸出電容； bufR 、 oaR 分別為緩沖級(jí)和誤差放大器等效輸出電阻。這樣通過緩沖級(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。 但是從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，增加緩沖級(jí)就增大了電路的靜態(tài)電流，而且緩沖級(jí)還會(huì)造成誤差放大器輸出電壓一個(gè) Vgs的損失，從而使調(diào)整管不能完全的導(dǎo)通或截止。 A M Pre fVfbV outVccVbiasV 1FR 2FR pM1M2M?? ccV( a )A M Pre fVfbV outVbiasV1FR 2FR pM1M 2M??( b ) 圖 34 帶緩沖級(jí) LDO 電路示意圖 圖 34(a)、 (b)所示分別為使用 NMOS和 PMOS管源跟隨結(jié)構(gòu)的 LDO電路。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。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(jí)晶體管從飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)。 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。 24 基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)考慮 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。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。 基準(zhǔn)電壓的漂移主要包括兩部分： 一是 溫度變化引起的基準(zhǔn)漂移； 二是 工藝模型變化引起的基準(zhǔn)漂移 [25]。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： , [ ( ) ]o u t o r e f m a o a m p o u 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 out 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 1ma oa mp outg R g R ??，所以： 1,12 ()Fo u t o re f re f re fFFRV V V VRR? ? ? ? ?? (330) 上式右邊可以分成兩部分， 一部分是額定輸出電壓： 112Fout refFFRVVRR? ? (331) 另一部分為基準(zhǔn)漂移引起的輸出電壓變化： 1,12 ()Fo ref refFFRVVRR? ? ? ?? (332) 聯(lián)合以上二式可得： 25 ,o ref refout refVV??? (333) 式 (333)表明，輸出電壓的變化直接受基準(zhǔn)電壓精度的影響，如果基準(zhǔn)電壓精度為 1%， 則穩(wěn)壓器的輸出電壓也會(huì)變化相應(yīng)的比例。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。 此外，為了滿足 LDO穩(wěn)壓器低功耗設(shè)計(jì)的要求，基準(zhǔn)模塊必須具有較小的靜態(tài)電流。國內(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]。 Ka Nang Leung等提出的利用 PMOS和 NMOS管的柵源壓差來設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電源 。 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]。根據(jù)他人的研究成果結(jié)合本電路的設(shè)計(jì)要求，決定采用一種耗盡管與增強(qiáng)管串聯(lián)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的電路結(jié)構(gòu)，具體的電路實(shí)現(xiàn)見第五章。 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。 本章小結(jié) outVLC1mgrefV 2FR1FR LR2mgfbV ccV3mg保 護(hù) 電 路基 準(zhǔn) 與 偏置 電 路 圖 35 LDO 系統(tǒng)架構(gòu)圖 26 經(jīng)過上述章節(jié)的討論，本文設(shè)計(jì)的低功耗高穩(wěn)定性 LDO穩(wěn)壓器的最終結(jié)構(gòu)如圖 35示：采用 PMOS結(jié)構(gòu)作為調(diào)整元件，誤差放大器為簡單的二級(jí)級(jí)聯(lián)運(yùn)放，其輸出端不采用緩沖級(jí)結(jié)構(gòu)。針對(duì)調(diào)整管柵極可能出現(xiàn)的中低頻極點(diǎn)導(dǎo)致 LDO系統(tǒng)UGF較小，穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)，將在第四章提出新型的補(bǔ)償方法從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其它模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)將在第五章中給出。 27 4 LDO 穩(wěn)定性研究 與補(bǔ)償方式的確定 本章首先介紹測(cè)試負(fù)反饋環(huán)路增益 的相關(guān)理論 ， 對(duì) LDO線性穩(wěn)壓器進(jìn)行交流小信號(hào)建模，推導(dǎo)出系統(tǒng)的開環(huán)增益與零極點(diǎn) 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(bǔ)償方案的缺陷。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。并對(duì)嵌套式密勒補(bǔ)償中調(diào)零電阻可能存在的位置進(jìn)行分析，確定了最合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)從而有效地消除了右半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 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。 LDO 環(huán)路增益的建模 V i n ( s )H ( s )G ( s )V o u t ( s ) 圖 41 負(fù)反饋系統(tǒng)框圖 圖 41示為 一般負(fù)反饋系統(tǒng)框圖，其中 H(s)、 G(s)分別為前饋網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，Vin(s)、 Vout(s)分別為系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)。 為了計(jì)算系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，應(yīng)該在環(huán)路中斷開任意一點(diǎn)， 將 反饋系統(tǒng)正向通道的那一端 設(shè)置 為交流小信號(hào)輸入激勵(lì)源，并在相應(yīng)的另一端得到 信號(hào) 輸出。 理 想 的 開 環(huán) 點(diǎn)不 推 薦 的 開 環(huán) 點(diǎn) 圖 42 開環(huán)斷點(diǎn)的選擇 斷開負(fù)反饋環(huán) 路 時(shí)可以嘗試著在某一高阻點(diǎn)處斷開 ，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。比如， 圖 42示 從 MOS管的柵極處斷開反饋環(huán)路是一個(gè)較 28 好的選擇；而在 MOS管源極處斷開環(huán)路來計(jì)算傳輸 函數(shù)則不是很理想。 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。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(hào)環(huán)路，而環(huán)路的直流信號(hào)環(huán)路仍然閉合，并且應(yīng)該得到正確的偏置。 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。將 L、 C設(shè)置 趨向于無窮大 時(shí) ， 就 可以忽略 電感 、 電容本身阻抗對(duì)回路的影響。也可以采用電阻來等效，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 來隔交流，見圖 44。 誤差放大器 AMP 與調(diào)整管 PMOS 構(gòu)成前饋通路，比例電阻則構(gòu)成了反饋網(wǎng)絡(luò)。將電路中各元器件設(shè)置為正確的直流偏置狀態(tài)，并在誤差放大器的 正相端輸入 交流信號(hào) Vx(s)，它通過放大器與共源結(jié)構(gòu)的調(diào)整管共同放大后 輸出交流信號(hào)Vy(s)，見圖 45。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。 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(cè)試的示意圖 傳統(tǒng) ESR 電阻補(bǔ)償 傳統(tǒng) ESR電阻補(bǔ)償原理 傳統(tǒng)的 LDO補(bǔ)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 Res r產(chǎn)生 零點(diǎn)補(bǔ)償電路中的第一非主極點(diǎn)， CL與 輸出端等效負(fù)載則構(gòu)成系統(tǒng)的主極點(diǎn)。通過優(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]。 30 outVLC1mgrefV 2FR 1F LR2mg1oR1C esrRfb inV 3mgoR2C 圖 46 ESR 電阻補(bǔ)償原理圖 圖 46為利用 ESR(equivalent series resistance)電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐吩韴D， 其小信號(hào)等效模型如圖 47所示。 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//o u t o u t o u tm o L F Fe s rLV s V s V sg V sr R R RR sC? ? ? ??? (45) 又因?yàn)?： 112( ) ( ) ( )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，即為電路的 31 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。 從 (47)式可以看出，系統(tǒng)存在三 個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，分別是： 0 12 out LP RC?? (48) 1 2212 oP RC?? (49) 2 1112 oP RC?? (410) LesrCRZ ?210 ? (411) 第一個(gè)極點(diǎn) P0來自于等效輸出電阻 Rout和輸出電容 CL。由于輸出電容很大，因此在輸出端形成了系統(tǒng)的低頻主極點(diǎn) [29~30]。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)式可以化簡為 0 112 2 2