（微电子学与固体电子学专业论文）ldo低压差线性稳压器核心电路的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘近年来，随着手机，笔记本电脑等便携式设备不断的更新和发展，人们对电源管理芯片的要求越来越高，电源管理芯片也朝着小型化，低功耗，节能环保的方向发展。l d o 低压差线性稳压器作为一种常用的电源管理芯片，它的输出静态电流小，噪声低，电磁干扰能力强，瞬态响应速度快，基于这些优点，在与同类型的其它稳压电路相比，l d o 的发展前景一片光明，并广泛的应用在医疗，计算机，基础设备等众多领域中。目前，l d o 朝着低功耗，低静态电流，快速瞬态响应，大输出电流等方向发展，其中，大输出电流是l d o 发展的一个重要方向，但是大的输出电流对l d o 环路稳定性有重要影响。因此，设计一个大输出电流，高稳定性的l d o 具有非常实际的意义。本文设计的l d o 分为基准电压源，误差放大器，p m o s 调整管，反馈电阻四个模块。其中误差放大器，p m o s 调整管和反馈电阻构成了l d o 的反馈回路。在基准电压源中，两级折叠式共源共栅运算放大器作为它的核心电路，并且利用三极管基射电压v b e 的负温度系数效应和v 距的正温度系数效应进行一阶补偿，再利用二极管反向饱和电流i s 的正温度系数效应进行二阶补偿，得到一个近似零温度系数的基准电压。在l d o 的环路中，采用嵌套式密勒电容补偿方式对环路进行补偿，使得环路在整个负载电流范围内都能达到稳定。此外，为了l d o 能够在高温下具有自我保护功能，本文利用三极管基射电压v b e 的负温度系数效应，将温度信号转变为电压信号，设计出一个过温保护电路。本文设计的l d o 采用t s m c0 3 5 u m 标准c m o s 工艺，设计的最大输出电流为1 a ，工作电压范围为3 v 5 v ，输出电压为2 5 v 。本文采用h s p i c e 软件对电路进行仿真，在最大负载电流1 a 条件下工作时，d r o p o u t 电压为1 8 0 m v ；在负载电流为5 0 0 m a ，电源电压从3 v 5 v 变化时，线性调整率为0 4 7 m v ，线性瞬态响应变化量为4 0 m v ；在负载电流从0 l a 变化时，负载调整率为0 4 m v a ，负载瞬态响应变化量为2 5 m v 。关键词：l d o 低压差线性稳压器，大输出电流，环路稳定性，嵌套式密勒电容西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页a b s tra c td e m a n d sf o rp o 、rm a n a g e m e n tc 1 1 i p si sg e t t i i 培1 1 i g h e r 锄dl l i 曲e rf o rn l er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ep h o n e s ，l a p t o p s 锄do m e rp o r t d b l ed e v i c e si i lr e c e n ty e a r s p o 、c rm 孤a g e m e n tc h i p sa r ed e v e l o p i n gt o w a r dm 诚删z a t i o n ，l o wp o w e rc o i l s 啪p t i o n 锄de n e r g ys a v i i l gd i r c c t i o n l d oi sal o wd i o p o u tv o l t a g el i n e a rr e g u l a t o r nh a sb e e na m o n g廿1 eb e s ti nm ep o w e rm 锄a g e m e n tc l l i pm a r k e t ，f o ri t sa u a v a n t a g e s ，s u c h 硒s m a l lq u i e s c e n tc u r r e n t ，l o wn o i s e ，l l i g hr e s i s t 锄c et oe l e c 仃o m 孵l e t i ci 1 1 t e ：西b r e n c e 龇1 df 瓠t 乜a i l s i e mr e s p o 璐ew h e nc o m p a r e dt 0o 吐l e rr e g u l a t o r s l d oh 硒b e e n 丽d e l yl l s e di nm e d i c a l ，c o m p u t e r ，i n 】h s 仃u c t u r ea n dm a n yo 也e rf i e l d s c u 玎e m l y ，l d oi sd e v e l o p i n gt o w a r d sl o wp o w e r ，l o wq u i e s c e mc u r t e 咄f l a s tm i n s i e mr e s p o i l s e ，l a r g eo u ：c p u tc u n e 咄a n dm a n yo t l l e rd i r e c t i o n s锄o n gw t l i c hl a r g eo u _ t p u tc u r r e n ti sa ni n l p o r t a n to n e b mt h el a r g eo u ：t p u tc u 订e mc a nc a u s et 1 1 es t a b i l i 巧p b l e m0 f 恤l d ol o 叩t h e r e f o r e ，吐l ed e s i g no fl d ow i t l lah i 曲c u r r e n ：t ，l l i 曲s t a b i l 时i so fv c 巧r e a l ls i 卿f i c a i l c e t h ep r o p o s e dl d oi sc o m p o s e do f b a n d - g a pv o l t a g er e f e r e n c e 、e 啪f 觚l p l i f i e r 、p m o sr e 刚a t o r 觚df e e d b a c kr e s i s t o r s 1 kf e e d b a c kc h 诚c o i l s i s t so fm ee n o ra m p l i f i e r 、p m o sr e g u l a t o r 眦d 参d b a c kr e s i s t o r s 1 kc o r eo f 也eb a n 小g a pv o l t a g er e f e r e n c ei sat w of o l d e dc 勰c a d eo p e r a t i o n a lv o l t a g e 锄p l i f i e r ；廿l er e a l i z a ：t i o no f 也ef i r s to r d e rt e m p e r a ：t u r ec o m p e n s 撕o ni sb 嬲e do nt h en e g 撕v ct c m p er ：a n 船c o e 街c i e n te 虢c t e 如dm ep o s i t i v et e m p e r a t i 玳c o e 街c i e me 髋c t so fa l l dt l l es e c o n d - o r d e rt e m p e 例= u r ec o m p e n s a t i o nh a sb e e nr e a l i z e d 廿1 r o u 曲m ed i o d er e 、，e r s es 删i o nc 岍e m 晰t 1 1p o s i t i v et i 锄p e r a n 鹏c o e f j f i c i e n t t h en e s t e dm i l l e rc o m p e n s a t i o nm 劬o di sl l s e dt 0i i l s w e 血es 切b i l 埘o fm el d ow h e nl o a dc u 玎e mc t m g e s i na d d i t i o 玛at e m p e r a ：t u r cp r o t e c t i o nc i r c 疵，w h i c h 觚l s l a t e st e m p e r a ：t u r es i 鄹l a lt 0v o l t a g es i 弘a lm a k i n gl l s i i l go ft h en e g a t i v et e m p c r 栅ec o e 街c i c n to f e ，h a sb e e nd e s i g n e dt 0p r 0 v i d eg o o do v e r - t e m p e r a _ t u r ep r o t e c t i o nf o r 也el d o al d o 砸t 1 1am a x i m 眦。唧u tc u 仃e n to f1 ai sp r o p o s e di 1 1t h i sp 印e r t 1 1 i sl d oc 趾w o r kn o m l a l l yw h e ns u p p l yv o l t a g er a n g e sf r o m3 vt 05 v 锄dt h eo u _ i p u tv o l t a g ec a nr e a c h2 5 v t h ec h l l i th 硒b e e ns i i i l u l a t e d 埘mh s p i c ei i lt s m c0 3 5u ms t a i l d a r dc m o sp r o c e s s龃dn l es i n l u l a t i o n 托s m t ss h o w ：廿l ed r o p o u tv o l t a g ei s18 0 m vw b e nt h eo u t p u tc u r r e n ti s1 a锄dl kr e g u l a t i o ni s0 4 7 m v ；v a r i a t i o no fm el m 盯t 船n s i e mr e s p o n s ei s4 0 m vw h e n 缸西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页l o a dc u 盯e n ti s5 0 0 m a 锄ds u p p l yv o l t a g ec h a n g e sf 的m 3 v t 05 v ；缸1 el o a dr e g u l a t i o ni so 4 m v a 觚dv 撕a t i o no f 恤l o a d 胁s i e n tr e s p o i l s ei s2 5 m vw h e nl o a dc 硼e n tc l 姗g e si 沁m0 at o1 a k e yw o r d s ：io wd r o p o u tv oit a g ei in e a rr e g uia t o r 。ia r g eo u t p u tc u r r e n t ，io o ps t a b ili t y 。n e s t e dm iil e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页：第1 章绪论1 1 电源管理i c 的现状与发展随着电子技术的日新月异，尤其是现在便携式产品的流行和节能环保概念的提倡，电源i c 发挥着越来越大的作用，广泛的应用于计算机，无线通信，网络，工业，高端消费电子，医疗，汽车，军事，基础设备等众多领域。目前电源i c 涵盖的内容更加广泛，包括l d o ( 低压差线性稳压器) ，d c d c ，p w m 控制器，p f c ( 功率因素校正) ，电池充放电管理，节能控制，i 沁s e t ，功率m o s e f t 等等。电子技术的快速发展，主要表现在小型化，节能环保，功能强大，价格低廉几个方面，这就要求电源i c 的设计具有集成整合化，同时应当尽可能的提高转换效率以及提供更大的输出电流和更低的输出电压。近年来，随着可再生能源，变频技术和智能电网等新型市场的不断涌现，电源i c更趋向于数字化和集成化的方向发展。飞兆半导体为太阳能逆变器生产厂提供了用于可再生能源发电的功率转换应用方案，罗姆在变频技术和智能电网领域将大量投产具有系列的i g b t ，s i c 大功率器件和低功耗的m c u ，e e r o m ，f e r a m 等等。在技术方面，电源i c 也取得了突破性成就，飞兆半导体的m w s a 三r 是围绕脉宽调制控制器的最先进技术，待机的功耗低于1 0 m w ，远远超出了能源之星的五星级要求( 3 0 m w ) 。v i c o r 公司设计的b c k t mp f m t m 功率因素校正隔离a c d c 转换器可以在全球a c电压范围内维持高效率的电源转换，提供4 8 v 的直流输出电压，3 3 0 w 的输出功率和高达9 3 的输出效率。电源是每个电子产品的核心部件，随着电子产品向着小型化和节能化的方向发展，电源也应该遵循这样的发展轨迹，电源转换效率的要求已经从8 0 普遍的提高到9 0 ，应用的产品主要有p c ，l c d ，t v ，便携产品等。同时，电源i c 也朝系统化的方向发展，强化相关的功能组合，提高整体的效率和系统可靠性。据统计，从2 0 0 9 到2 0 1 3 年，全球使用的电源数量在6 0 亿到1 0 0 亿之间，消耗了大量的电能，功耗作为电源i c 的一个重要指标，节能低功耗也是电源i c 发展的必经之路。随着汽车电子化进程的不断推广，汽车电子市场将加速发展，电源i c 技术的更新，将使得汽车电子的发展朝向节能减排，安全，娱乐方向发展，消费者的购买焦点也会从传统的价格上转移到性能上。西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页1 2l d o 的国内外动态和发展趋势英飞凌股份有限公司是全球第二大汽车半导体供应商，占据着全球汽车半导体的很大一部分市场，它在全球范围内率先生产出用于汽车娱乐信息系统有源天线的n j4 2 7 7 单片稳压器，具有电流监控的功能，同时还能够在一定范围内任意调节负载电流的大小，从而调节输出电压的大小，能够有效的提高汽车无线电装置的可靠性。，几f4 2 7 7 的监控功能可以轻松的检测出器件的故障并且完成故障分析报告，同时针对日常的故障问题专门增加了系统的过温，过流等保护电路。奥地利微电子公司推出了a s l 3 5 5 系列的线性稳压器，可以为多路，可调电压的应用提供解决方案，它的最大的输出电流可以达到几百个毫安。a s l 3 5 5 组合了经过优化的高效率的可编程电源，使得静态的输出电流和输出电压的稳定性能达到一个很好的折衷，它可以广泛的应用在移动电话，p d a ，3 等便携式电子设备当中。并且a s l 3 5 5可以工作在低压的条件下，尽管晶体管工作在线性区，但是它的调节性能依然好，同时它的抗噪声能力很强，无需滤波电路就可以直接和与噪声敏感的电路相连接。奥地利微电子公司推出的a s l 3 6 4 低压差线性稳压器，工作电压范围在1 2 v 5 v ，在l a 的负载电流下，它的静态电流相当小，只达到几十个纳安，并且关断电流也只有几个纳安。奥地利微电子公司还推出一款a s l 3 7 1 低压差线性稳压器，它的最低工作电压可以降低到1 2 v ，驱动的最大负载电流可以达到4 0 0 m a ，a s l 3 7 l 可以工作在几个状态之下，它能够提供2 0 m v 1 0 0 m a ，8 0 m v 4 0 0 m a 的指标，并且在最大负载电流的工作环境下只提供很小的静态电流，可以有效的增加电池的寿命，它可以广泛的应用在g p s 系统和蓝牙当中。奥地利微电子公司还推出一款双路a s l 3 7 4 低压差线性稳压器，它有两个输出回路，每一路的负载电流可达到2 0 0 m a 。a s l 3 7 4 可以广泛的应用在r f ，手机相机，g p s ，无线基站和p a 偏置等需要低噪声电源的设备当中。a s l 3 7 4 的工作电压在2 v 5 v 范围内，它每路的输出电流可以达到2 0 0 m a ，同时它的d r o p o u t 电压可以低至1 2 0 m v ，同时还可以提供1 2 v 3 6 v 的可编程输出电压，它的电源抑制比也可以达到接近9 0 d b 。飞兆半导体公司设计的f a n 2 5 6 4 低压差线性稳压器，转换效率高，速度快，芯片占有面积小。f 砧屹5 6 4 的最低d r o p o u t 电压为几十个毫伏，并且可以工作在低至1 8 v的电源电压下，具有很高的线性转换效率。它在没有负载电流的工作条件下，静态电流为4 5 衅，线性瞬态响应速度很快，可以广泛的应用在医疗，计算机当中。a d i 公司西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页也推出了a d p l 7 4 0 ，a d p l 7 4 1 ，a d p l 7 5 2 ，a p p 1 7 5 31a d p l 7 5 4 等低压差线性稳压器，它们可以提供8 0 0 m a 2 a 的负载电流，转换效率高，电源抑制比可到1 0 0 d b ，散热少，可以广泛的应用在医疗成像设备，服务器，基础设施，办公自动化和工业当中。麦克雷尔公司推出的m i c 5 3 1 3 ，m i c 5 3 1 4 ，m i c 5 3 1 5 ，m i c 5 3 1 6 系列低压差线性稳压器，可以工作在1 7 v 的低压环境下，并且静态电流低至4 5 微安。它是一个双路结构，每一路的负载电流都可以达到3 0 0 i n a ，并且d r o p o u t 也只是几十个毫伏，同时它可以提高很高的转换效率，很大程度上的降低静态电流1 1 1 。l d o 可以广泛的应用在便携式设备，医疗，办公自动化和工业等众多领域当中，其中，l d o 作为众多便携式设备中电池芯片的重要组成部分，在电池的充电过程中起着重要的作用，如图1 1 【5 2 1 。=图1 1l d o 在锂电池充电器中的应用如图1 - 1 所示，在锂电池充电器中，随着锂电池的使用时间增加，可能使得锂电池的电压逐渐降低，而应用电路则需要一个稳定的供电电压，如2 5 v ，这样，只需在锂电池和应用电路之间加入一个l d o ，当l d o 的输入电压在工作电压变化范围内时，l d o 的输出电压都是稳定的( 2 5 v ) ，此时就可以通过l d o 的输出电压对应用电路进行供电。l d o 的应用范围很广，然后，现在的l d o 仍然存在很多技术指标上的不足，例如：d r 0 p o u t 电压比较大，静态电流比较大，转换效率低，输出电流较小等，为了弥补这些技术指标的不足之处，l d o 朝着以下几个方向发展【2 】：( 1 ) d r o p o u t 电压越来越低；( 2 ) 静态电流越来越小；( 3 ) 输出电流越来越大；( 4 ) 输出噪声越来越低；( 5 ) 电容所需数量越来越少；西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页( 6 ) 附加功能越来越完善；：( 7 ) 封装面积越来越小；其中输出大电流方向是l d o 发展的一个重要方向，因此，本文主要研究l d o 的大电流，高稳定性方向。1 3 论文的内容与安排本文设计的l d o 低压差线性放大器工作在3 v 5 v 的电压下，输出电压为2 5 v ，能够驱动的最小电阻为2 5 q ，最大的负载电流为1 a 。本文设计的l d o 低压差线性稳压器主要包括了基准电压模块，l d o 主体环路等模块。其中，基准电压模块包括了运算放大器，基准核心电路，二阶补偿电路；l d o 主体环路又包括了误差放大器，p m o s 调整管和反馈电路。另外，为了使得l d o 在高温条件下有自我保护功能，本文在传统的过温保护电路上做出改进，设计出一个新型过温保护电路。本设计结合h s p i c e ，采用t s m c0 3 5 u m 标准工艺对各个模块以及整体结构进行仿真。论文的主要内容安排如下：第1 章首先介绍了国内外电源管理芯片的发展状况，并且结合电源i c 发展状况，介绍了国内外l d o 低压差线性稳压器的发展状况和发展方向，并且结合了锂电池供电电路对l d o 的应用做了简介。第2 章首先分析了l d o 的基本原理以及它的一些技术指标，同时分析了l d o 主体环路的稳定性问题并且介绍了几种频率补偿的方法。第3 章是本文的主要内容，首先对基准电压源模块进行了设计和仿真，并且重点对其中的二级运算放大器和整体电路进行了设计和仿真；然后针对l d o 的环路稳定性问题，提出一种解决环路稳定性的补偿方法，并且仿真；最后增加一个过温电路保护模块，并且做了仿真。第4 章是对l d o 整体电路的仿真。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页第2 章l d o 低压差线性稳压器的基础理论2 1l d o 的基本构架和工作原理l d o 是一种直流降压型的线性稳压器，其在输入电压或者负载电流发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压。如今的l d 0 电路具有体积小，噪声低，功耗低，价格低廉，使用方便等特点，但其基本的结构比较简单，包含了电压基准源( v r e f ) ，误差放大器( e a ) ，调整管( m p a s s ) ，反馈电阻( r l ，r 2 ) 四个模块，如图2 1 所示。其中电压基准源为误差放大器提供了高精度的基准电压，误差放大器、调整管以及反、馈电阻组成了l d o 的控制环路，当输入电压或者负载电流变化的时候，输出电压v o u t也要做出相应的变化，此时l d o 通过它的控制环路的负反馈调节作用可以抑制输出电压v o u t 的变化【2 1 。如图2 - 1 所示，当输出电压降低时，通过反馈电阻r 1 ，r 2 的分压作用，反馈电压v f b 也相应的降低，基准电压源于误差放大器的反向输入端提供了稳定的参考电压，反馈电压v 阳接误差放大器的正向输入端，误差放大器的输出电压v e a 相应减小，调整管m a s s 的栅极电压降低，栅源电压差值增加，漏极电流增加，输出电压v o u t 相应增加，抑制了输出电压v o u t 的降低，从而保持在稳定的输出。r l图2 1l d o 基本结构( p m o s )假设l d o 线性稳压器的开环放大倍数为a ，控制环路的反馈系数为f ，则l d o的输出电压为：沂= 南( 2 - 1 )根据深度负反馈的原理，通常在电路中有环路增益a f l ，故上式可以化简为：西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页叮= 半( 2 2 )由式( 2 2 ) 容易发现，在深度负反馈中，l d o 线性稳压器的输出电压仅仅取决于控制环路的电阻比值和基准电压r e f ) ，而与输入电压以及负载电流等其他参数的大小无关，在一定范围的电源电压下，若要增大l d o 的输出电压，则需减小反馈系数( f )或增大基准电压( v i 溉) ，这需要根据实际电路的输出电压要求来确定。图2 1 中l d o 的调整管使用的是p m o s ，同样我们可以使用n m o s ，在图2 2 中：本文使用的是增强型p m o s ，它的主要作用是作为从输入向负载提供大电流的通道，由于其容抗很大，所以要求误差放大器有强大的电流驱动能力。增强型p m o s 是在n型衬底上制作两个p 阱，分别作为p m o s 管的源极和漏极，衬底和源极都接高电位，漏极接低电位。p m o s 是通过p 沟道进行导电的，栅极相对源极的电位为负，当栅极电压足够低的时候，p 沟道才能形成，p m o s 管才能导通，p m o s 的传输特性曲线如图2 2 【2 】。一i d l 旺fi 一锈i一您譬矿一争蕊矿图2 2 增强型p m o s 的传输特性曲线如图2 2 所示，p m o s 的栅极电位足够低时，栅源电压的差值越大，漏极输出电流越大，p m o s 的导电性能随着栅源电压绝对值的增加而提高，故也称之为常关型器件，其漏极电流表达式为f 3 】：厶= 一警( j 一| ) 2 ( 1 + 旯)( 2 - 3 )西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页在c m o s 工艺成为主流的今天，n m o s 和p m o s 都可以作为l d o 的调整管，n m o s作为调整管只需将图2 1 中误差放大器的正负端反向即可，两者在结构上的差别很小，但是性能上却又了很大的改变，具体区别如下【2 j ：( 1 ) p m o s 调整管的输出电阻更大，环路的稳定性更低，不易补偿。( 2 ) 在同等负载电流流过时，p m o s 相对于以o s 需要更大的宽长比，占用更大的芯片面积。( 3 ) 订o s 调整管的栅极电压v 队必须要高出输出电压v o u t 一个阈值电压v t l l n ，所以输入电压v 烈至少为输出电压v o 岍加上一个阈值电压v t t l n 的值，故n m o s 调整管的d r o p o u t 电压至少为阈值电压v n l l l ，p m o s 调整管却没有这个限制。2 2l d o 的主要性能指标l d o 的主要性能指标包括压差电压，静态电流，效率，线性调整率，负载调整率，线性瞬态响应，负载瞬态响应，噪声等等。( 1 ) d r o p o u t 电压脚m 电压定义为在一定的负载电流下，当输出电压趋于稳定时的最小输入电压与输出电压的差值，其表达式为：v 出c 恻i 州( m 蛐- v o ( 2 4 )( 2 ) 静态电流静态电流( i q ) 为电源电压v m 提供的总电流( i v 小) 和负载电流( i l o a d ) 之差，它主要由误差放大器，基准电压源等内部偏置电路的电流组成，其表达式为【3 】：i q = i v 烈- i l o a d( 2 5 )( 3 ) 效率根据d r 0 ：p o u t 电压和静态电流的表达式，可以得出效率的表达式为：，7 =w j 脚( ，啪+ 乇) ( k + 叮) ( 屯拗+ 乇)( 2 6 )一般情况下，i l o a d 是l d o 输出的最大负载电流，效率为l d o 的最大输出功率和输入功率的比值，由式( 2 - 6 ) 得到，提高l d o 的效率可以减小静态电流( i q ) 和d r o p o u t电压。一般情况下减小静态电流会使得电路的带宽减小，响应速度变慢；减小d r o p o u t电压会增加调整管的宽长比，增大芯片的面积，故设计时需要折衷考虑。( 4 ) 线性调整率西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页l d o 的线性调整率( s v ) 是_ 个直流变化量，它是输出电压v o l r r 随输入电压v 琳的变化的变化率，表达式为：昂= 等( 2 7 )当输入电压变化时，基准电压和控制环路都会对输出电压的变化产生影响，独立考虑这两个量对输出电压的影响，再应用叠加原理，将两者的影响相加，则可以得到输出的最终变化量。假设输入电压有一个变化量v 州，基准电压有一个变化量v r e f ，反馈系数为f ，输出电压有一个变化量v o l r r l ，则v o l 和v i 璐的关系式可表示为：华攀：孥( 2 - 8 )馘啉战f nf假设误差放大器的放大倍数为a v ，输出电压v o 有个变化量为v o i r r 2 ，调整管a s s 的跨到为g m a s s ，等效输出电阻为r 0 ，可得到表达式为：监：g 幽圣。1 + 4 ，g 护，| 嚣综合两者的共同影响可以得到下式：& =( 2 9 )垒丝丝! 垒堡婴2 ：鱼+ 垒坠盟( 2 1 0 )v 啉、七a v f g 悝稿f 冰嘴由上式可以看出，如果要降低l d o 的线性调整率，可以增加控制环路的增益，但是同时系统的稳定性降低，补偿更加困难。( 5 ) 负载调整率l d o 的线性调整率( s 1 ) 是一个直流变化量，它是输出电压v o u t 随负载电流i l o a d的变化的变化率，其表达式为【4 】：型叠一一一一鱼( 2 1 1 )世啪1 + 4 粥 护d 豁饧由上式可以看出，如果要降低l d o 的负载调整率，减小负载电流的变化对输出电压的影响，可以提高环路的增益，但是高环路增益的电路的稳定性补偿问题非常困难，故在设计时需折衷考虑。( 6 ) 线性瞬态响应西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页线性瞬态响应是指l d o 的输入电压( v 矾) 在正常工作范围内突然发生一个跳变，输出电压( v o l r r ) 趋于稳定后变化的最大值。如果输出电容c o 的值越大，l d o 的带宽越宽，则线性瞬态响应越好。( 7 ) 负载瞬态响应负载瞬态响应是指l d o 的负载电流( i l o a d ) 突然发生一个跳变，输出电压( v o l r r )趋于稳定后变化的最大值。输出电压的变化主要由两部分组成，一是当负载电流变化时，输出电容( c o ) 的寄生电阻( r e s r ) 上会产生一个电压差；二是当负载电流变化时，l d o的环路需要很短的反应时间t ，在t 时间内，突变后的负载电流将会对输出电容c o 进行充电，从而改变输出电压的值。为了改善负载的瞬态响应，可以减小寄生电阻嘛s r ) 和反应时间t ，或者增大输出电容( c o ) 【5 】o2 3l d o 的环路稳定性分析及补偿原理l d o 的环路稳定性是l d o 设计中最复杂的问题之一，如何保证环路的稳定性直接决定了l d o 是否能够正常的工作。l d o 作为一个负反馈系统，它在调整管的漏极以及误差放大器的输出端各有一个频率较低的极点，并且由于输出电容以及它的寄生电阻的影响，在调整管的漏极还将产生一个零点。设定误差放大器的跨导为g 队，p m o s 调整管的跨导为g m a s s ，误差放大器输出端的等效电阻为r l 猢，等效电容为c e a o ，p m o s 调整管的输出等效电阻为r o ，断开图2 1 的反馈环路，可以得到小信号等效构架如图2 3 【67 1 。geg搬assf图2 3l d o 环路小信号等效构架由图( 2 3 ) 可得，l d o 的环路传输函数为：黑：鱼峰些霉螋竺也( 2 - 1 2 )肿聊l + 姐翻o c 脚l + s c d ( r 艘+ 冠)西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页根据式( 2 1 3 ) ，可以得到环路的两个主极点和零点分别为：只：上_ ：鱼丝型丝望( 2 1 4 )12 刀c d ( r 艘+ r 饧)2 稆d1只= 二-( 2 1 5 )2 艘剧o c 名4 01z l = i 哥( 2 - 1 6 )12 破勰c dl d 0 环路的补偿是由输出电容以及它的寄生电阻产生的零点实现的，但是在一般情况下由于输出电容的寄生电阻受到温度的影响改变比较大，零点的位置极不稳定，这就需要限制输出电容的类型，同时还会增加l d o 输出电压的纹波。当r e s r 变大时，l d o 的零点较低时，单位增益带宽g b w 过宽，寄生极点的影响力变大；当i k s r 变小时，l d o 的零点较高时，相位补偿变得困难，环路的稳定性下降。l d o 的输出电容一般都是微法量级，这样就使得输出电容产生极点影响不可忽略，输出极点的大小直接受到负载电流的影响，假设负载电流从1 衅增加到l a ，则输出极点的位置增大将近1 0 0 0 0 0 0 倍，由于输出极点的位置和负载电流的一次方成正比，而环路增益和负载电流的开方成反比，这样极大的加大了单位增益带宽g b w 的宽度，严重的影响了环路的稳定性。为了得到较大的输出电流，一般情况下会将p m o s 调整管的宽长比调的很大，当调整管的面积增加很大以后会产生一个很大的寄生电容，这样就会产生一个频率很低的极点，严重影响了环路的稳定性【8 】。在l d o 环路中，有两个极点和一个零点，当负载电流很小的时候，输出极点p l作为主极点，误差放大器的输出极点p 2 作为次极点，p 2 产生的相位问题由零点z l 进行补偿。当负载电流变大的时候，主极点p 1 就会向高频的方向移动，如果此时次极点p 2的位置不变，那么单位增益带宽g b w 会大大增宽，这样会严重的影响环路的稳定性，所以此时应当通过某种方式降低次极点p 2 的位置，让主次极点的位置交换，从而调节单位增益带宽g b w ，保持单位增益带宽的值不变，这样可以最大化的设计单位增益带宽，保证系统的相位裕度受负载电流的影响降低，不仅提高环路的稳定性，同时还可以提高工作于不同负载电流下的瞬态响应速度。误差放大器的输出是一个高阻抗的节点，而p m o s 调整管的输入端产生的寄生电容很大，这样就会产生一个频率非常低的极点，在一般情况下，为了降低这个极点对西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页l d o 环路稳定性的影响，通常在误差放大器和p m o s 调整管之间加入一个缓冲级b u f f e r ，由于缓冲级的输出电阻和输入电容相相对较小，这样就可以隔离开大电阻和大电容，如图( 2 - 4 ) 所示。g 队b u f f 职g 舭圆f图2 - 4 加入b u f f e r 的l d o 小信号等效图在如图( 2 - 4 ) 所示的电路中会有三个极点以及一个零点，极点分别位于误差放大器的输出( p 2 ) ，缓冲器的输出( p 3 ) ，调整管的输出( p 1 ) ，零点位于调整管的输出( z 1 ) ，其值为【9 】：只：j 一：垒型墼虹( 2 1 7 )12 刀c d ( r 腺+ 尺工，d )2 刀c d只：1 _( 2 1 8 )。2 艘剧o q d尼= 去q 。9 )1z 1 = 二一( 2 2 0 )12 欣脚c d通常情况下，p 1 ，p 2 是低频极点，位于单位增益带宽内，零点的产生可以抵消p 2 ，从而来保证环路的稳定性以及足够的相位裕度，然而，由于寄生电阻r e s r 容易受到温度的影响，当r e s r 太大的话，零点z 1 会处于非常低的频率上，从而单位增益带宽增大，让三个极点都落在了增益带宽内，影响环路的稳定性，当i k s e 太小的话，零点z l 会处于一个高频位置，甚至到达单位增益带宽以外的位置上去，这样就失去了对极点p 2 的相位补偿作用，环路的稳定性依然降低，因此，传统的依靠输出零点进行补偿的l d o西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页不能满足宽范围负载电流以及适应温度变化的需求，这样就需要采用其它改进的补偿方式，一般l d o 的其它补偿方式有：( 1 ) 有零极点跟踪负载电流频率补偿；( 2 )密勒补偿和密勒电容倍增补偿；( 3 ) 阻尼系数控制频率补偿( d f c ) ；( 4 ) 嵌套式密勒补偿( n e s t e dm i l l e rc o m p e i l s a t i o n ) 。( 1 ) 零极点跟踪负载电流频率补偿当负载电流变大的时候，输出极点会向高频方向移动，这样会使单位增益带宽的宽度增大，环路的稳定性降低。如果此时，系统内部会有一个零点的产生，并且如果此零点的位置也是随着负载电流的变化而变化，当负载电流变大的时候，零点的位置也移向高频，并且此零点和输出极点的位置相差不大，这样，此零点就可以补偿输出极点造成的附加相位，具体电路如图2 5 f 61 0 1 。图2 5 零极点跟踪负载电流的频率补偿电路如图所示，在传统的l d o 电路中增加一个电阻r c ，一个电容c c ，同时在增加一个p m o s 管m c ，使得m c 的栅极和调整管的栅极相连，同时保持c c ，r c ，m c 之间的串联。由于m c 和调整管栅极相连，故两者流过的电流大致相等，故m c 可以跟踪调整管的电流。现在将m c 工作区域设定在线性区，则m c 在线性工作区工作时可以等效为一个线性电阻r o n ，其值可以表示为：= j l ( 2 2 1 )( 一)式( 2 2 1 ) 中v g s 为m c 以及调整管的栅源电压，v t h 为m c 的阈值电压。由于调整管工作在饱和区，故可得下式：一= 层位2 2 ，由式( 2 2 2 ) 可得：西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页= 古侩( 2 - 2 3 )当负载电流增大的时候，m c 的等效电阻将减小，这样m c 就可以跟踪到负载电流的变化。图( 2 5 ) 中有多个极点和寄生零点，忽略高频零点和极点对环路稳定性的影响，只考虑几个主要极点和零点的影响，那么在误差放大器的输出端有一个零点z c ，输出端有一个输出极点p l ，其值如下：弘瓦寿面q 。2 4 。c c ( & + )、。牟瓦蕊南2 警q - 2 5 )12 刀c d ( r e 躲+ 灭)2 确。当负载电流变大的时候，极点p l 和零点z c 都要向高频的方向移动，适当的调节r c 和m c 的宽长比，则可以使得z c 和p 1 的位置接近，从而零点z c 就可以补偿极点p l所增加的附加相位，提高环路的稳定性。( 2 ) 密勒补偿和密勒电容倍增传统的密勒补偿常用于运算放大器反馈电路，它是采用一个面积较小，容抗较小的电容来实现极点的分离作用而实现补偿的一种方法。传统的密勒补偿如图( 2 6 ) 。v o u t图2 _ 6 传统密勒补偿电路如图( 2 6 ) 所示的传统密勒补偿电容主要是用来实现极点的分裂，当在第二级运算放大器的输入和输出之间接上一个密勒补偿电容c c 时，可以等效于在a 2 的输入端接入一个( 1 + a 2 ) c c 的密勒电容，而在a 2 的输出近似还是为c c ，这样由于输入端的电容值变大，故极点就向低频方向移动，减小了单位增益带宽，有效的补偿了相位f l l 】。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页传统的密勒补偿是在运算放大器的两端跨入一个密勒补偿电容，从而实现极点的分离作用，然而，流控电流源同样可以实现这样的功能，如下图( 2 7 ) 所示：ac圈a图b圈c图2 7 电容倍增原理图电容倍增频率补偿的原理是通过采样流过电容的电流( 图b ) ，并通过电流镜的作用，将其放大k 倍，然后反馈到采样端，这样等效于将采样的电流放大了耐1 ) 倍。反馈的环路采用的是一个流控电流源( 图a ) ，这样实际的等效情况是将电容的值放大了( k + 1 ) 倍，通常情况下，采用二极管连接的1 ( 宽长比为y ) 采样流过电容c 上的电流，并且通过心2 ( 宽敞比为k y ) 的电流镜作用，将m n 采样到的电流放大k倍，同时反馈到采样端a 图( c ) ，这样等效的电容c e q 的值为下式：2 等= 型簧塑= 篓像2 6 ，6 赫l 其中，v y 是心1 和电容c 之间的分压点，g 心l 是1 的跨导，在频率较低的情况下，电容的容抗相当于增加了k 倍，同时，故此电容倍增电路适合在低频时应用。( 3 ) 嵌套式密勒补偿嵌套式密勒电容补偿技术是各种高阶增益系统补偿设计的基础，它是基于传统的两级密勒补偿技术延伸出来的，通过一个外部补偿电容c m l 和一个内部补偿电容c m 2来分离极点的位置。其中c m l 主要用来压缩第一级的输出极点，c m 2 用来改变两个次极点的性质，要么分离两个次极点，要么让之成为一对共轭复极点，并且控制其q 值大小，从而用来改变频率响应特性，具体原理电路如图2 8 【12 1 。a工t，l上=q垃西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页图2 8 嵌套式密勒补偿电路c m 2 电容采用密勒电容，它的作用是消除了内部反馈作用，由于在高频情况下c m l可以近似为一个短路电容，a 2 的有效输出跨导就可以等效为a 2 与b u f f e r 的跨导之差，则内部中间结点及b u f f e r 的输出结点的等效电容可以表达为：2 ：( 1 4 ：) c m 2 ：生堕孕鱼：( 2 2 7 )j l 工c m 2 的作用主要是让次极点的性质发生变化，增加c 的值可以让b l ? f e r 的输出极点压缩，a 2 的输出极点扩展，让两个次极点分离开来，但是系统的带宽就受到b u f f e r 的牵制而压缩，这样c m 2 就有了一个上限范围。当c 比较小时，高频次极点就会产生共轭的情况，使得相位裕度减小，因此c 的选择与负载电容c l 以及输出跨导g 2 的关系密切，应该折衷取值，此外，如果c m 2 的取值较大，在高频情况下，c 易发生短路，此时c m l 的环路反馈将成为正反馈，严重影响系统的稳定性，因此，必须增大g 2 来提高发生短路的频率，一般情况下，c m 2 短路时的输出极点应该位于4 倍处的单位增益带宽外。在c m l 和c m 2 共同作用下，b u f f e r 的等效电容为两个补偿电容的串联，并且远远大于其栅极的寄生电容，其输出的阻抗为跨导的倒数，则中间b u f f e r 的输出极点为g 以m 2 ，而系统输出极点为g 2 c l 。如果要使得系统稳定，那么g 2 的取值范围应该大于g b ，同时也应该远远大于g l 。在忽略零点的影响作用下，采用巴特沃思响应的方法，得到的补偿电容为：o 。= 吗q g 2( 2 2 8 )西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页0 2 = 2 g 曰q g 2( 2 2 9 )系统的两个共轭复极，带宽和相位裕度为：1露，2 = g 2 q ( 1 )( 2 - 3 0 )；矿= g l o l( 2 3 1 )p m = 6 0 0( 2 3 2 )( 4 ) 阻尼系数控制频率补偿( d f c )采用级间密勒补偿会使得在环路中产生一个频率非常低的主极点，然后由于受到两个次极点的影响，环路的稳定性能不佳，此时，如果通过一个阻尼系数控制单元( d f c ) ，使得两个次极点的位置调整到单位增益带宽以外，降低次极点对环路相位的影响，保证在单位增益带宽以内只有一个主极点，则可以大幅度提高环路的稳定性，阻尼系数控制频率补偿电路如图2 9 【1 3 1 。v l 嘧c pi图2 - 9 阻尼系数控制频率补偿电路如图2 9 所示，阻尼系数控制频率补偿电路由第一级高增益误差放大器( a 1 ) ，第二级缓冲器( b u f f e r ) ，p m o s 调整管，反馈环路( r f l ，r f 2 ) 以及阻尼系数控制单元( d f c )组成，其中c m l 为级间密勒补偿电容，c 为d f c 的补偿电容，c p 是p m o s 调整管的寄生电容，同时，假设c i ，鼬，a 分别为各级的输出电容，电阻，跨导，因此，由于r 1 ，& 的电阻很大，c l ，c 4 的寄生电容很小，因此可以忽略，则可得到到系统环路的增益为下式：西南交通大学硕士研究生学位论