（微电子学与固体电子学专业论文）ldo线性稳压器中关键模块的研究与设计.pdf

l d o 线性稳压器中关键模块的研究与设计 摘要 l d o 线性稳压器是移动便携式电子设备中应用极为广泛的一类电源管理 芯片。由于l d o 具有结构简单、功耗较低、成本较少、噪声较小、电源抑制能 力较强等特点，成为便携式消费电子产品中极具竞争力的电源解决方案之一。 本文设计了一款带备用电源供电的l d o 线性稳压器，以此为研究平台，重点对 线性稳压器中关键模块的电路结构和物理版图进行了深入探讨和设计优化。 首先，研究和分析了线性稳压器的基本工作原理和系统架构，介绍了l d o 的重要组成部件及系统的稳定性。此外，探讨了线性稳压器的主要设计指标， 结合系统架构研究l d o 关键模块对其性能参数的影响，为后续关键模块的电路 设计提供了理论依据。 其次，结合设计目标，对l d o 关键模块进行电路设计及仿真。整体电路设 计包括工作在线性稳压模式下的带隙基准电路、误差放大器、导通管和反馈环 路等l d o 电路模块，还有备用电源供电模式下的低阻值p m o s 开关管、电源 切换模块等逻辑控制电路，以及保证芯片正常工作的过热保护和限流保护电路。 最后，考虑器件匹配、噪声隔离以及减小耦合等诸多因素，对l d o 的版图 布局，以及关键模块中导通管与开关管、误差放大器及缓冲级、带隙基准源的 版图进行优化设计。所设计的版图通过d r c 、l v s 验证。 本文基于上华c s m c0 5 , u mc m o s 工艺模型库，采用c a d e n c eh s p i c e 软 件对设计的电路进行仿真。最终仿真结果表明，所设计的l d o 具有较高的精度， 其线性稳压度为0 0 3 ，负载稳压度为o 0 0 1 ，当温度在4 0 1 2 5 之间变 化时输出电压温漂为9 0 9 0 p p m 。c 。 关键词：l d o ；c m o s ；带隙基准；误差放大器 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ec o r eb l o c k si nl o w d r o p o u tl i n e a r r e g u l a t o r a b s t r a c t l d o r e g u l a t o r sa r eak i n do fi n t e g r a t e dc i r c u i t so fp o w e rm a n a g e m e n ta d o p t e d e x t e n s i v e l yi nt h ep o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l es t r u c t u r e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wp r o d u c t i o nc o s t s ，s m a l lc i r c u i tn o i s e ， h i g hp s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) a n ds oo n ，l d or e g u l a t o r sb e c o m et h e e x c e l l e n ts o l u t i o no fp o w e rm a n a g e m e n ti np o r t a b l ec o n s u m e re l e c t r o n i c s t h et h e s i sf o c u s e do nt h ed e s i g no fa nl dor e g u l a t o rw i t hb a c k u p - s u p p l y s w i t c h i n gf u n c t i o n b a s e do nt h el d oc h i p ，t h ep a p e rd e e p l yd i s c u s s e da n d r e s e a r c h e dt h ec i r c u i t sa n dl a y o u td e s i g no ft h ec o r eb l o c k si nt h el d o r e g u l a t o r f i r s t l y ，t h et h e s i sr e s e a r c h e da n di n t r o d u c e dt h ee s s e n t i a lo p e r a t i n gp r i n c i p l e a n dt h eb a s i cc i r c u i ts t r u c t u r ei nal i n e a rr e g u l a t o r ，g e n e r a l l yd i s c u s s e dt h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t sa n dt h es y s t e ms t a b i l i t yi nt h el d or e g u l a t o r i na d d i t i o n ， t h ep a p e rp r e s e n t e df u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si nt h el d o ，a n d e m p h a t i c a l l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c et h a tt h ec i r c u i t so ft h ec o r eb l o c k sb r o u g h tt ot h e l d o s e c o n d l y ，s oa st oa c h i e v et h er e s e a r c ha n dd e s i g nt a r g e t s ，t h et h e s i sf o c u s e d o nt h ec i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h ec o r eb l o c k si nt h el d o t h ew h o l e d e s i g nc o n t a i n e db a n d g a pr e f e r e n c e ，e r r o ra m p l i f i e r , p a s se l e m e n t ，f e e d b a c k r e s i s t o r s ，w h i c hw o r k sf o rl d om o d ea n dl o wr e s i s t a n c ep m o ss w i t c h ，s u p p l y s w i t c h i n gb l o c kn e e d e db yb a c k u p s u p p l ym o d e ，t h eo v e r - c u r r e n ta n do v e r h e a t p r o t e c t i o nc i r c u i tt ok e e pt h ei cw o r k ss a f e l y f i n a l l y , c o n s i d e r e dm a t c hd e v i c e s ，n o i s es e p a r a t i o n ，a n dc o u p l i n gr e d u c t i o n ， t h et h e s i ss t u d i e dt h el a y o u ta n dp l a c e m e n to ft h ew h o l ec i r c u i ta n dd i s c u s s e dt h e o p t i m i z e dl a y o u td e s i g no ft h ek e ym o d u l e s ，s u c ha sp a s se l e m e n ta n dp m o s s w i t c h ，e r r o ra m p l i f i e rw i t hb u f f e r , b a n d g a pr e f e r e n c e b a s e do nt h ec s m c0 5p mc m o sp r o c e s s ，s i m u l a t e dt h ed e s i g n e dc i r c u i t s b yc a d e n c eh s p i c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o u l di m p l yt h a tt h el i n er e g u l a t i o na n d l o a dr e g u l a t i o no ft h el d oi so 0 3 a n d0 0 01 s e p a r a t e l y ，m o r e o v e r ，t h e t e m p e r a t u r ed r i f to ft h eo u t p u tv o l t a g ei s9 0 9 0 p p m 。c k e y w o r d s ：l d o ：c m o s ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；e r r o ra m p l i f i e r ； l i 插图清单 图2 1 低压差线性稳压器系统结构示意图7 图2 2 简单基准源电路示意图8 图2 3l d o 系统结构示意图。8 图2 4 导通器件基本结构示意图一9 图2 5 反馈电路示意图1 1 图2 6 正负反馈和相移示意图1 2 图2 7 极点和零点对相移和增益的影响示意图1 2 图2 8l d o 小信号等效示意图1 3 图2 - 9 电容中的等效串联电阻示意图1 4 图2 1 0 未补偿的l d o 频率响应波特图1 4 图2 1 1 低频e s r 零点导致系统不稳定波特图1 5 图2 1 2 高频e s r 零点导致系统不稳定波特图1 5 图2 1 3 正确e s r 零点的补偿示意图1 6 图3 1p m o s 线性稳压器示意图一1 9 图3 2 瞬态响应波形图2 1 图3 3 带备用电源供电的l d o 系统结构示意图2 3 图3 4 线性稳压模式中限流电路原理示意图2 4 图3 5 过热保护电路原理示意图2 5 图4 1 带隙基准基本电路结构示意图2 9 图4 2c m o s 工艺中p n p 双极晶体管的实现3 0 图4 3 用p n p 晶体管实现图4 1 中的电路3 0 图4 4 本文设计的带隙基准系统结构示意图3 0 图4 5 ( a ) 本文设计的带隙基准电路图31 图4 5 ( b ) 本文设计的带隙基准电路图3 1 图4 6 采用双p n 结串联结构的b a n d g a p 电路图3 2 图4 7 运算放大器电路图3 3 图4 8 基极电流补偿电路图3 4 图4 9 衬底电压产生电路3 5 图4 1o 启动电路示意图一3 6 图4 1 1 调整电阻p a d 示意图3 6 图4 1 2 微调电路的示意图3 7 图4 1 3 基准输出随温度变化特性曲线3 7 图4 1 4 线性稳压模块的系统结构示意图3 8 图4 1 5 线性稳压模块的电路示意图一3 8 图4 1 6 误差放大器的电路结构图3 9 图4 1 7 缓冲级的电路结构图。4 0 图4 1 8 导通管的电路示意图4 l 图4 1 9l d o 系统频率响应示意图4 l 图4 2 0 未补偿的l d o 波特图4 3 图4 21 降低放大器增益来补偿的l d o 波特图4 4 v i 图4 2 2 调整零点位置来补偿的l d o 波特图4 5 图4 2 3 调整寄生极点位置后的波特图4 5 图4 2 4 负载电流为5 0 0 m a 的仿真波特图4 6 图4 2 5 负载电流为零的仿真波特图4 6 图4 2 6 迟滞比较器的输入一输出特性曲线4 7 图4 2 7 ( a ) 比较器对输入含有噪声的响应( b ) 迟滞比较器对输入含有噪声的响应 4 7 图4 2 8 迟滞比较器电路的系统结构示意图4 8 图4 2 9 迟滞比较器的电路结构图4 8 图4 3 0 电源切换电路系统结构图4 9 图4 31 电源切换电路结构图5 0 图4 3 2 电源切换模块仿真波形图5 l 图4 3 3 过热保护电路结构图5l 图4 3 4 过热保护电路仿真波形图5 2 图4 3 5 备用电源限流保护电路结构图一5 2 图4 3 6 典型情况下线性稳压的仿真波形图5 4 图4 3 7 典型情况下负载稳压的仿真波形图5 5 图4 3 8t t 模型4 0 、2 5 、8 5 三种温度下的瞬态响应波形图5 6 图4 3 9t t 模型在4 0 、2 5 、8 5 三种温度下的电源切换仿真图5 8 图4 4 0 不同模型下输出电压随温度漂移的仿真图5 9 图5 1 采用d u m m y 来减小器件失配的示意图6 l 图5 2 采用保护环来保护敏感电路6 2 图5 3 芯片版图布局示意图6 3 图5 4m o s 管叉指结构示意图6 4 图5 5 导通管版图设计示意图6 4 图5 6 导通管版图。6 5 图5 7 开关管版图一6 5 图5 8 误差放大器及缓冲级主体部分版图6 5 图5 - 9p + 扩散电阻的版图示意图。6 6 图5 1 0 带隙基准的版图6 7 图5 1 1 线性稳压模式下芯片电路的版图6 7 v i i 表格清单 表1 1 线性稳压器与开关稳压器的性能比较3 表2 1 导通器件的性能参数比较6 表4 1 不同模型和温度下线性稳压的输出电压变化5 4 表4 2 不同模型和温度下负载稳压的输出电压变化5 5 表4 3 不同模型和温度下瞬态响应的输出电压变化5 7 表4 - 4 不同模型与温度下电源切换的输出电压变化5 8 表4 5 不同模型下的输出电压温漂5 9 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金世工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文储签字锑 签字日期： 加7 年7 月27 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金世王些友堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名一导师签名：签字日期：纠年了月幻日签字日期：压矽7 年7 月27 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 签字日期：山筇年罗月2 7 日 电话： 邮编： 致谢 首先我要深深地感谢我的导师高明伦教授和潘剑宏老师，是两位尊敬的老 师给予了我进入集成电路设计这一领域研究和学习的宝贵机会。将近三年的学 习时光中，高老师科学严谨、精益求精的治学态度，一丝不苟、高效务实的工 作作风，谦和朴实、平易近人的人格魅力，还有对学生的谆谆教诲，都使我铭 记于心。潘老师在学生工作与生活中的指导和关心，令我获益良多、心怀感激。 两位长者是学生一生最值得敬爱的恩师。 由衷地感谢尹勇生老师和邓红辉老师。感谢两位老师在我论文写作过程中， 从论文选题、结构安排直到论文定稿，给予悉心认真地指导和尽心尽力地帮助， 在此衷心地谢谢他们。 衷心地感谢梁上泉博士和张睿博士。感谢他们在我课题研究及学习中给予 我的无私帮助，他们丰富的工程经验，使我受益匪浅。 特别感谢0 9 级师弟们在后端版图设计中给予我的真诚帮助，他们的努力工 作为课题研究做出了很大贡献。 真诚感谢学长陈巨、王炜、刘涛和王晓娟，他们在我课题研究前期已经做 了扎实且深入地工作，为本课题研究奠定了良好的基础。 感谢混合信号组0 6 级的同学以及0 7 级、0 8 级的师弟师妹们，向他们对我 工作的帮助和鼓励致以深深地谢意。 感谢微电子所的所有老师和同学们对我的关心和帮助，是他们赋予了微电 子所朝气蓬勃、青春洋溢的力量，是他们营造了实验室轻松而浓郁的学术氛围， 与他们相处的欢乐时光，让我此生难忘。 感谢我的父母对我的默默支持和爱护。 最后感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们。 i i i 作者：谢亚伟 2 0 0 9 年9 月 第一章绪论 1 1 研究背景及回顾 当今形形色色的便携式电子设备发展日新月异，日趋普及，特别是以3 g 智能手机、便携多媒体影音播放器、掌上游戏机、车载全球定位系统( g p s ) 导航设备、数码照相及摄像设备为代表的便携式消费电子产品，它们越来越强 调功能的高度集成，体积尺寸的小巧轻薄，以及功耗的高效节能与环保等特性。 同时由于半导体工艺技术的不断发展，芯片的工作电压不断降低，这都对便携 式消费电子产品的电源管理芯片提出了极为苛刻的要求【l 】。d c d c 稳压器( 也 称d c d c 转换器) 恰恰满足了这类电子产品对电源系统的需求，成为应用最 为广泛的一类电源管理芯片。 d c d c 稳压器的主要功能就是将不稳定的输入电压转换成稳定的输出电 压，输出电压不随输入电压或输出电流的变化而改变。d c d c 稳压器主要包括： 线性稳压器、开关型稳压器、稳压型电荷泵这三种电源芯片【2 】。可是实际许多 场合，由于开关型稳压器在便携式电子设备的电源设计中占主导地位，人们往 往用开关型稳压器就直接代表d c d c 稳压器。 随着电源系统设计技术的不断创新与发展，线性稳压器越来越来受到人们 的青睐。使用n p n 达林顿管做导通器件的线性稳压器已经逐渐退出市场，它们 被性能更好的新型低压差线性稳压器l d o ( l o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ) 所 取代。新一代的l d o 线性稳压器具有结构简单、低成本、低功耗、低噪声和高 电源抑制比等特性，在便携式产品中成为极具竞争力的电源解决方案之一。 开关电源稳压器虽然在功能上与线性稳压器相似，但是工作原理完全不同。 开关稳压器的取名主要源于内部的开关功率管，正是控制开关功率管反复切换 “开 和“关状态，与能量存贮元件( 电容和电感) 一起产生输出电压。在 给定直流输入电压下，开关电源通过输出反馈电压来调节电路开关管的导通时 间，从而实现稳压功能。当采用某一固定频率进行开关切换时，通过调节开关 电压的脉冲宽度来调整切换定时开关电流，这种方法称为脉冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ；而通过调节振荡器的振荡频率来调整切换定时开关 电流的方法称为脉冲频率调制p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ，这是开关稳 压器常见的两种控制方式。 线性稳压器与开关稳压器相比，最大的局限性表现在两个方面：一是其输 出电压只能低于输入电压，仅能提供降压输出；二是其电源转换效率与开关型 稳压器相比较低。而开关稳压器不仅能够提供降压输出，而且能够提供升压和 极性相反的输出；并且开关稳压器在不同输入电压、不同负载电流条件下能够 提供很高的转换效率，其转换效率高达9 0 以上，特别是降压型开关稳压器的 转换效率会更高一些，这是开关稳压器为便携式产品带来的最大好处，使便携 式产品的电池获得更长的使用时间。但是开关稳压器由于其自身电路结构的原 因，开关管以较高频率导通和关断，不停地将电流注入到电感中，导致这类稳 压器输出电压中存在着固有噪声，输出电压的纹波较高，同时会产生电磁干扰， 并且其响应时间与l d o 线性稳压器相比较长，瞬时恢复时间较慢。 这两种稳压器由于其结构的不同，导致它们各自拥有不同的优缺点，根据 它们优缺点的不同，可分别用于各类应用。在便携式产品的电源设计中，线性 稳压器会比开关稳压器更加适用，因为线性稳压器的最大优势在于设计简单、 成本较低并且噪声很小p j 。一味追求高转换效率延长电池的使用寿命存在一定 的片面性，当产品自身耗电很低时，允许在电源转换效率上做出让步，这时低 成本的线性稳压器解决方案完全能够满足设计要求。 然而随着线性稳压器输出功率的增加，散热问题成为了其应用难点之一。 压差越大、负载电流越大时，线性稳压器的功耗越大，有时不得不考虑加散热 片。散热片不仅仅增加了额外的器件成本，更重要的是还占用了电路板上宝贵 的空间，无法满足便携式产品对尺寸的严格要求。新型l d o 稳压器在封装上有 了较大的改进，可以紧贴在线路板上安装，充分利用周边环境散热。流行的芯 片级封装c s p ，小巧的s o t 2 3 5 封装和无引线四方扁平封装q f n 等新型封装 一方面提供更好的散热特性，另一方面提高了l d o 的额定功率，拓宽了l d o 的应用范围【4 1 。 线性稳压器适合于输出电压非常接近输入电压的情况，这时线性稳压器可 提供较高的转换效率；如果输入电压高出输出电压很多，或者它在很宽的范围 内变动，且输出电流要求也较大的情况下，开关稳压器的高转换效率将是我们 考虑的首选对象。可是在许多实际应用中，我们不仅会碰到大压差和大电流的 情况，而且会面临对噪声极为敏感的电路设计需求，这种情况下我们往往会把 线性稳压器和开关稳压器配合使用，取长补短。先使用开关稳压器将电压降低， 之后在利用线性稳压器来提供低噪声的电源输出。由于输出无纹波和低噪声的 特性，线性稳压器常常在对噪声敏感的无线产品中用于隔离开关电源的高频噪 声。因此结合开关式d c - d c 稳压器和l d o 的新型电源管理i c t 5 1 ，既具有前者 的高效率，又拥有后者的小尺寸和易用性优势，成为电源转换i c 的发展趋势之 一。线性稳压器与开关稳压器的性能比较【3 1 ，如表1 1 所示。 电荷泵是三种稳压电路中知名度最低的，它的功能和开关电源很相似，都 可以提供升压、降压、极性相反的输出，但其所能提供的负载电流有一定的局 限性，与开关稳压器相比采用电荷泵结构的成本相对较高【2 】。实际设计中，我 们往往更多关注的是线性稳压器和开关电源。 2 表1 1 线性稳压器与开关稳压器的性能比较 线性稳压器开关稳压器 功能只能降压，输入电压必须高于输升压，降压，极性相反 出电压 低一中等，实际电池寿命取决于高，除非在很轻的负载下，此时 效率负载电流和整个工作周期内的 开关稳压器的静态电流相对较 电池电压，如果输入和输出电压大 相差很小时效率较高 热耗散当平均负载电流较大，输入与输功率低于1 0 w 时元器件不发热 出的压差较大时，热耗散较高， 发热比较显著 复杂度结构简单，应用时仅需要增加外较为复杂，除i c 外通常还需要 部输入和输出电容 电感，二极管，滤波电容，大功 率电路中需外接场效应管 尺寸小一中等，需要散热时体积可能 低功耗应用中尺寸大于线性稳 较大 压器，大功率应用中不需要散热 器，尺寸比线性稳压器小 纹波噪声输出电压纹波低，噪声低，电磁输出电压纹波高，噪声较大，会 干扰较小产生电磁干扰 响应时间对负载变化响应快，响应时间小瞬时恢复时间较慢，响应时间较 长 总体成本低中等一高，主要取决于外部元件 1 2 研究目的 研究线性稳压器的动机来自于人们对高性能电源供电电路需求的日益增 长，我们总是希望为便携式产品供电的电源管理芯片能够做到高集成度、高可 靠性、低噪声、抗干扰、低功耗，突破散热瓶颈，高效节能，延长电池寿命， 提高产品性能【2 引。而这也正是推动电源管理技术发展的主要因素。深入研究电 源管理技术的发展趋势，使我们认识到l d o 线性稳压器是实现便携式产品对高 性能电源管理要求的极具竞争力的解决方案。因此开展研究l d o 线性稳压器的 工作具有十分重要的意义。本论文的研究重点是在带备用电源切换的l d o 线性 稳压器的结构下，对l d o 的关键模块分析设计，深入探讨如何实现低工作电压、 大电流驱动、低静态电流以及提高l d o 性能的电路改进。同时，对l d o 中关 键模块的版图设计进行详细地研究，从整体的版图布局考虑，到模块的版图设 计，甚至具体到对器件的设计考虑，本文都作了大量的研究工作。优化的版图 设计是芯片获得优良性能的关键。 1 3论文结构 第一章是本论文的绪论部分。 第二章介绍线性稳压器的基本概念、结构和工作原理。重点介绍l d o 线性 3 稳压器的组成部件如导通器件、误差放大器、基准源等，研究分析通常情况下 l d o 稳压器的系统稳定性问题，包括稳压器的频率补偿和负载电容的e s r 问 题。 第三章阐述l d o 线性稳压器的设计指标，确立并研究带备用电源切换的 l d o 系统架构及工作模式。研究分析在这一系统架构下，电路主要模块的设计 考虑。 第四章首先详细讲解l d o 线性稳压器的各个关键模块的电路设计，其中包 括带隙基准源、l d o 稳压模块及系统稳定性、电源切换模块、以及过热保护和 限流保护电路。本章同时对整体电路进行性能仿真，用仿真来验证设计是否达 到当初的设计指标。本章重点研究：提高基准源电路性能的电路改进；系统在 大负载电流情况下保持稳定的放大器零点补偿方法；还有设计过程中需要随时 注意的低功耗和精度问题等内容。 第五章详细讲解l d o 芯片的版图整体布局考虑和关键模块的版图设计。通 过优化版图设计，使芯片的优良性能得到有力的保障。第四章和第五章是本文 的主要部分。 最后，第六章是对论文的总结和展望。 4 第二章线性稳压器的基本工作原理 2 1线性稳压器的分类 2 1 1线性稳压器的定义 线性稳压器是使用在线性区或饱和区工作的晶体管、场效应管( 通常被称 作导通器件) 从输入电压中减去多余的电压，产生经过调节的稳定并且精确设 定的直流电压的稳压器。线性稳压器的导通器件串联在稳压器输入和输出端之 间，正常工作时导通器件上会产生压降，这个压降不一定等于跌落电压。跌落 电压( d r o p o u tv o l t a g e ) 是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下1 0 0 m v 之 内时，所需的输入电压与输出电压差额的最小值，也就是当控制电路停止稳压 时输入与输出电压之差值i l 引。 l d o 通过电路反馈，通过被放大的误差信号来控制和驱动功率晶体管，改 变导通管的输出电流大小并实现稳压。这类稳压器有两个固有特点：一是输入 电压的值要比各自的输出电压大，二是为了获得更好性能它的输出阻抗小。 正电压输出的l d o 线性稳压器通常使用p n p 类型的功率晶体管作为导通 器件。这种晶体管允许饱和，这时稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常 为2 0 0 m v 左右。与之相比使用n p n 功率晶体管的传统线性稳压器的压降却达 到2 v 左右。负电压输出的l d o 用n p n 作为它的导通管，其工作模式与正输 出l d o 的p n p 设备类似。 现代新技术使用c m o s 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 c m o s 器件，通过稳压器的唯一电压压降是导通管的导通电阻上流过负载电流 造成的。如果负载电流较小，则产生的压降甚至只有几十毫伏。 2 1 2 线性稳压器的分类 ( 1 ) 根据导通器件分类【6 】 根据导通器件的不同可分为n p n 型线性稳压器、准l d o 线性稳压器和 l d o 线性稳压器等几类。 n p n 型线性稳压器的内部是用p n p 晶体管来驱动n p n 型达林顿管，因此 器件的输入输出之间会有1 5 v 到2 5 v 的跌落电压。公式表示为： 形蚴= 2 矿矗+ k 对r 1 6 2 5 v ( 2 一1 ) 准l d o 线性稳压器在某些领域中被广泛地采用。因为它的跌落电压介于 n p n 稳压器和l d o 稳压器之间而得名。+ 它的导通器件结构是单个p n p 管驱动 单个n p n 管。因此，它的跌落压表示为： = + r o 9 v ( 2 - 2 ) 5 在l d o 线性稳压器中，导通管通常由单个p n p 管或者m o s 管构成。l d o 的最大优势就是导通管只会带来很小的导通压降，满载的跌落电压一般小于 5 0 0 m v ，轻载时的压降只有l o 到2 0 m v 。其跌落电压公式为： = r 5 0 0 m v ( 2 - 3 ) ( 2 ) 根据电流大小分类【7 】 根据电流大小，线性稳压器又可以分为高功率和低功率两种类型。低功率 l d o 的最大输出电流小于1 a ，大多数应用于移动手提设备中。另一类，高功 率l d o 可以产生高于或者等于l a 的输出电流，它们通常适用于汽车和工业制 造等应用中。 2 1 3线性稳压器性能比较 n p n 型线性稳压器，l d o 和准l d o 在参数上的最大不同就是：跌落电压 和地脚电流( g r o u n dp i nc u r r e n t ) 。地脚电流是从稳压电路流到地的所有电流， 也就是稳压器电路所消耗的电流，通常称作i g n d 或者也叫静态电流，它的大小 决定着稳压器电路本身的功耗。 由于n p n 型线性稳压器使用的达林顿管有较高的增益，它只需很小的基极 电流来驱动负载电流。因此它的地脚电流也很小( 一般只有几个毫安) 。准l d o 也有较好的性能，地脚电流也可以在几个毫安到十几个毫安之内。而l d o 的地 脚电流一般会较高。在满载时，p n p 管的值一般只有1 5 至2 0 。也就是说这 种l d o 的静态电流一般为负载电流的7 左右。 n p n 型线性稳压器的最大好处就是无条件的稳定( 不需外部电容) 。l d o 在输出端最少需要一个外部电容以减少环路的带宽( l o o pb a n d w i d t h ) 以及提 供正向相移( p o s i t i v ep h a s es h i f t ) 。准l d o 一般也需要在输出加上一些容性负 载，但是对电容选择的要求比l d 0 更宽松。 各类导通器件的特性如表2 1 所示。 表2 1 导通器件的性能参数比较 d a r l i n g t o n n p np n pn m o sp m o s 最大输出电流高高高中中 静态电流中中大小小 跌落电压v s a t + 2 v b ev s a t + v b ev e c s a t v s a t + v g s v s d s a t 响应速度快快慢中中 2 2线性稳压器的组成部件 2 2 1线性稳压器的结构 图2 1 表示了通常情况下的低压差线性稳压器的系统结构图。电路由基准 源及其启动电路、误差放大器、导通器件、反馈电路以及电流保护电路( 包括 6 电流检测) 组成。基准源为l d o 提供一个稳定的直流偏置电压。一般的基准源 通常由齐纳二极管或者带隙基准构成。齐纳二极管应用于电源电压大于7 v ，并 且对温度变化不敏感的环境1 8 儿引，而带隙基准适用于低压和高精度的场合。误 差放大器和导通器件及反馈电路组成稳压环路。电路的工作原理是，通过反馈， 用放大后的误差信号控制并驱动功率晶体管，调整其输出电流的大小来实现稳 压。l d o 的两大核心部件是误差放大器和导通管。保护电路的作用是保证l d o 在安全稳定的情况下正常工作，如电流限制电路i l 引，过热情况下的过热保护等。 基准源的温度漂移和误差放大器的失调电压决定了整个稳压器的温度系数，因 此需要设计低温漂的基准源和失调电压小的误差放大器。 图2 1 低压差线性稳压器系统结构示意图 2 2 2基准源 最简单常用的基准源电路是二极管和电阻的串联电路。在高电压情况下， 一般使用反偏的齐纳二极管，而低压中有的电路直接使用正偏二极管。齐纳二 极管的反向击穿电压在5 5 v 到8 5 v 之间，其温度漂移在+ 5 m v 至l j + l5 m v 之 间；而普通二极管的温度漂移约为2 m y ，所以可以在齐纳二极管上再串联一 个正向偏置的二极管，用来抵消温度漂移的变化。虽然这样可以提精确度，但 是却将输出电压提高了一个p n 结电压。这种电路有如下一些缺点：电压兼容 性差、噪音大、6 v 以下不能工作、效率低等。 对于工作在低压下的正偏二极管电路，其温度漂移为2 m v 左右。因此 在系统精度要求不高的情况下他们都可以直接用作基准源，不过这种基准源不 适合用在精度很高的稳压系统中，如本设计中就无法使用。 采用齐纳二极管的基准源电路如图2 - 2 ( b ) 所示， 图2 2 ( a ) 是电阻和正偏二极管串联的基准源，但是在标准c m o s 工艺中， 三极管的制造比二极管容易得多，因此如图2 - 2 ( a ) 所示电路一般都使用集电极 与基极连接的纵向三极管来代替。 7 图2 - 2 简单基准源电路示意图 为了使稳压器达到所需要的精度，使用这样的简单基准源是不行的。而带 隙基准电路基本上可以做到与温度无关，其精度很高。因此一般情况下l d o 稳压器都使用带隙基准。随着工艺的特征尺寸的缩小和工作电压的降低，带隙 基准的设计难度增加，并开始向着低电压方向发展。关于带隙基准的设计将在 第四章中详细讲述。 2 2 3误差放大器及缓冲级 应用在l d o 中的误差放大器影响着l d o 的稳定性和精度，它的设计指标 是与l d o 的性能直接相关。放大器参数一般包括：输出阻抗、增益、带宽、输 出转换速率电流、输出电压摆幅和静态电流。而在l d o 中由于放大器必须驱动 有很大寄生电容的导通器件，因此它的输出阻抗必须足够低，使得寄生极点位 于放大器的单位增益频率之外，才可以保证系统的稳定性，这点将在本章第三 节提到。由于导通管所带来的寄生电容非常大，因此即使把输出阻抗降低也很 难产生高频寄生极点，而且输出阻抗降低会影响放大器的增益。所以需要用缓 冲级将增益级输出电阻r o a 和大负载寄生电容c p 。，隔开，如图2 3 所示。负载 稳压特性会随着放大器开环增益的增加而变得更好，但是放大器增益的增大受 单位增益频率限制。因此，在设计放大器的增益带宽积( g b w ) 的时候需要注 意这个问题，它关系到l d o 系统的输出极点和零点的位置。 图2 - 3l d o 系统结构示意图 8 缓冲器结构及其偏置电流设计，是根据系统需要的频率和瞬态响应来决定 的。缓冲级的偏置电流大小主要取决于瞬态响应的指标。特别是缓冲级输出可 以提供的转换速率电流大小，部分决定了瞬态负载电流阶跃时输出电压的波动 变化。根据不同导通管的驱动要求来选择缓冲级电路结构。例如，p m o s 导通 管需要高负压摆幅，以产生大输出电流和低跌落电压。同时也需要高正压摆幅 来关闭器件，以保证栅压最高时亚阈值漏电流小。采用n m o s 自然管构成源跟 随器，就是一种简单的缓冲级的实现方式。自然管是没有进行阈值调节的器件 它的阈值电压接近于零，它可以通过在标准c m o s 工艺中再增加一层掩模板来 实现。缓冲级的输入电容c 。矿和增益级的输出电阻如的乘积必须保持足够低， 才能得到远远高于系统单位增益频率( u g f ) 的内部极点。因此，增益级的输 出和缓冲级的输入之间由于版图产生寄生电阻和走线电容需要最小化。放大器 的总体设计需要在满足指标的情况下尽可能简单，以保持较低的静态电流降低 稳压器功耗。放大器的带宽和转换速率又限制了静态电流的降低。所以设计中 需要在功耗和性能之间寻找一个折衷。 2 2 4导通管 五种可以实现的导通器件基本结构包括n p n 达林顿管、n p n 跟随器、共 发射极横向p n p 管、n m o s 跟随器、和共源极p m o s 管【_ 。它们的结构示意图 分别如图2 4 所示，选择什么结构的导通器件是由所需要采用的工艺和线性稳 压器所要达到的性能参数来决定的。虽然多晶体管结构也可以做导通器件，但 导通器件的实际性能并非由晶体管个数的多少决定，而主要是提供输出电流的 晶体管的能力决定的，驱动这个输出管的其它晶体管可以被看作是前级放大器 的缓冲级或者输出级，图中虚线部分表示的就是输出级。 9 | + 憎 卜、 占一 o u t 目 ? 一+ 汕州一 o 瞳 o u t n m o s p m o s 图2 4 导通器件基本结构示意图 双极晶体管可以在相同的电源电压下提供比m o s 更大的输出电流。但是 由于双极器件是电流驱动器件，它提供的电流越大，消耗的驱动电流就越多， 9 因此采用双极晶体管做导通管的线性稳压器随着功率的提高，其自身的静态功 耗也随之增加，也就增加了耗电量。而m o s 器件是电压驱动器件，在相同的 输出电流下，它所消耗的静态电流最小，这是因为m o s 管的栅极和地之间没 有通路。但是m o s 管每单位面积可以提供电流的能力和管子的宽长比以及栅 极驱动电压紧密相关，因此从面积大小上考虑，它的性能会受到面积的限制。 因为在标准c o m s 工艺上制造的双极晶体管电流增益值相对较小，因此 驱动双极器件的误差放大器就需要有注入和吸出较大基极电流的能力。对于 n p n 管，其基极电流流向稳压器输出端，而p n p 管的基极电流就成为地电流 损失掉了。因此，n p n 结构比p n p 结构更好，因为它的静态电流相比之下更 小。n p n 结构也能提供最快的瞬态负载电流的阶跃响应时间。通常p n p 晶体 管在工艺中被制造成横向器件，因此它响应时间长是其结构造成的。纵向p n p 结构可以获得更快的响应时间，但是由于标准工艺不支持这种结构，受工艺限 制而无法使用。m o s 晶体管通常比纵向双极器件慢，但是却比横向结构的p n p 速度快。 p m o s 和p n p 做导通管的l d o 跌落电压最小，分别是p m o s 的最小饱和 电压v 。d s a t 和p n p 管的v 。c 。砒，从0 1 到0 4 v 之间。n p n 达林顿管、n p n 、和 n m o s 结构包含了至少一个v b 。( v g 。) 和一个v 。哪t ( v 。d 哟t ) ，它们的最小跌落 电压约为0 8 v 到1 2 v 。跌落电压可以通过增加电荷泵电路来改善，但是如果 采用这种技术，电路会过于复杂并且费用会增加。在不使用其它电路进行补偿 的情况下，p m o s 管具有最小的跌落电压，因为它们具有可变电阻的特点，其 漏源电压可以随着栅源电压及宽长比的变化而变化。所有导通器件中，p m o s 能够在跌落电压，静态电流，输出电流，和速度上取得最佳折衷。 l d o 的电路设计完全受导通器件的物理需要的影响。导通器件必须在其物 理体积上足够大，以满足产生大的