（微电子学与固体电子学专业论文）低压差线性稳压器中核心模块的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 近些年来，在众多的电源管理芯片中，低压差( l d o ，l o w d r o p o u t ) 线性 稳压器由于其面积小、噪声低、静态电流小，外围器件少等优点，得到了人们 靛枣越名的雷枷玄椰一广沔商田千童赫俩摇背由罕声旦审，始呈i i 皂千绻 螽信 源管理芯片市场主要被国外公司占据，国内的发展尚处于刚刚起步阶段，因此 开发具有自主知识产权的l d o 线性稳压器具有很大的意义。 在国家自然科学基金和四川省学术带头人基金的资助下，我们对l d o 线性 稳压器进行了大量研究，并重点分析和设计了其中的误差放大器和无源调整器 件这两个核心模块。 首先，我们对l d o 线性稳压器的系统结构和工作原理进行了研究，并总结 了其主要性能指标和选用原则。 接着，设计了一款基于b i c m o s 工艺的误差放大器。低压共源共栅电流镜 负载保证放大器在低电源电压下仍具有高增益和高电源抑制比。而互补推挽结 构的缓冲电路大大提高了驱动能力。，采用o 5 u r nh s p i c e 参数模型进行仿真，结 果表明在3 6 v 的工作电压下，该放大器的开环增益和电源抑制比均为8 0 d b 左 右，单位增益带宽高达1 2 m h z ，相位裕度为6 0 。，而其建立时间还不到l a s 。 然后，我们对现有的一些无源调整器件的主要性能进行了总结和比较，并 借助e d a 工具设计了一款具有低漏电流的p m o s 无源器件。 最后，我们将所设计误差放大器和p m o s 无源器件与l d o 中的其他模块整 合在一起，对整个芯片的总体性能进行了仿真，结果表明该l d o 线性稳压器不 仅压差电压小，而且线性调整率和负载调整率均极低。 关键词：l d o ；误差放大器；p m o s 无源器件 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l o w d r o p o u t ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t o rh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n si nn u m e r o u sp o w e rm a n a g e m e n tc h i p sb e c a u s eo fi t ss m a l la r e a , l o wn o i s e ， l o ws u p p l yc u r r e n t , f e wo f f - c h i pc o m p o n e n t s ，e r e i th a sb e e nw i d e l yu s e di nk i n d so f c e l l u l a re l e c t r o n i cp r o d u c t s ，e s p e c i a l l y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s ，v i d e oo r a u d i op r o d u c t s ，h a n d - h e l dc o m p u t e r s ，m e d i c a la p p a r a t u s ，t e s ti n s t r u m e n t sa n ds oo n h o w e v e r , t h em a r k e to fp o w e rm a n a g e m e n tc h i p si sm a i n l yo c c u p i e db yf o r e i g n e n t e r p r i s e sn o w a d a y s ，w h i l et h ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r yi si nt h ei n i t i a lp h a s e ，s o i ti sv e r ym e a n i n g f u lt od e v e l o pt h el d ol i n e a rr e g u l a t o rw i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a l p r o p e r t y u n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n aa n ds i c h u a n p r o v i n c ea c a d e m i cl e a d e r sf o u n d a t i o n ，w eh a v es t u d i e df u l l yo nt h el d ol i n e a r r e g u l a t o r t w oi m p o r t a n tb l o c k si n c l u d i n gt h ee r r o ra m p l i f i e ra n dp m o sp a s se l e m e n t a r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d f i r s t l y , w eh a v ea n a l y z e dt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e l d ol i n e a rr e g u l a t o r i t sm a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h o i c ep r i n c i p l ea r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , a ne r r o ra m p l i f i e rb a s e do nb i c m o st e c h n o l o g yi sd e s i g n e d t h el o w v o l t a g ec a s c o d ec u r r e n tm i r r o rl o a de n s u r e sh i g hg a i na n dp o w e rs u p p l yr e j e c t i o n r a t i ou n d e rl o wp o w e rs u p p l y i t sd r i v e ra b i l i t yi s i m p r o v e db yt h ep u s h p u l lb u f f e r s t a g e s i m u l a t i o nr e s u l t se m p l o y i n go 5 u r nh s p i c em o d e ls h o wt h a ti t so p e n g a i l l a n dp s r ra r eb o t ha b o u t8 0 d bu n d e r3 6 vp o w e rs u p p l y i t sb a n d w i d t hi sa sh i g l la s 1 2 m h za n dt h ep h a s e m a r g i ni s6 0 。h o w e v e r , i t ss e t - u pt i m ei sn om o r et h a nl # s i na d d i t i o n ，w eh a v es u m m a r i z e da n dc o m p a r e dt h ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c so f s o m ee x i s t i n gp a s se l e m e n t s 。ap m o sp a s se l e m e n tw i t hl o wl e a k a g ec u r r e n ti s d e v i s e du n d e rt h eh e l po fe d at o o l s i nt h ee n d ，w eh a v ei n t e g r a t e dt h ee r r o ra m p l i f i e ra n dp m o sp a s se l e m e n t t o g e t h e rw i t ht h eo t h e rb l o c k so ft h ei , 1 3 0l i n e a rr e g u l a t o r t h e n ，w eh a v es i m u l a t e d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h el d ol i n e a rr e g u l a t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h el d ol i n e a rr e g u l a t o rn o to n l yh a sl o wd r o p o u tv o l t a g eb u ta l s ou l t r a - l o wl i n e r e g u l a t i o na n dl o a dr e g u l a t i o n k e yw o r d s ：l d o ；e r r o ra m p l i f i e r ：p m o sp a s se l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景 第1 章绪论 随着科学技术的发展，半导体元器件不断更新，电子电路也随之经历了几 个非常重要的发展阶段【”。 1 9 0 6 年，真空三极管的发明使得电子电路技术进入了实际应用阶段。直到 2 0 世纪4 0 年代末，晶体三极管出现并取代了电子管，电子电路技术也因此进入 到了晶体管电路的历史阶段。随后又经过十余年的发展，在5 0 年代末，集成电 路研制成功。它是在一块小的基片上光刻制造出多个晶体管、电阻和电容等器 件，并将它们连接成能够完成一定功能的电子电路。在过去的4 0 年里，这种技 术已经从生产只包含少量元件的简单芯片发展到了制造容纳1 0 亿个以上晶体管 的存储器和由1 0 0 0 万个以上元件组成的微处理器。正女i i n t e l 公司的创始人之一 戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 在2 0 世纪7 0 年代初期所预言的那样，每个芯片上晶 体管的数量大约每1 8 个月翻一番。同时，晶体管的最小尺寸也从1 9 6 0 年的2 耘m 下降到t 2 0 0 0 年的0 1 8 # m ，从而使集成电路的速度得到了巨大的提高【2 j 。 随着集成电路的发展，便携式电子产品也得到了飞速发展和广泛应用，如 手持式计算机、移动通信装置、无线通信设备、视频或音频产品、掌上电脑、 医疗器械及测试仪器等。 这些便携式电子产品的发展，也拉动了各种电源管理芯片的不断涌现，主 要包括开关式稳压器和线性稳压器。而目前在所有这些电源i c 中，线性稳压器 的销售额最大1 3 j 。 1 2 选题意义 在众多的电源管理芯片中，相对于d c - d c 开关式稳压电源来说，l d o 线 性稳压器的芯片面积更小、噪声更低、静态电流更小，外围器件也更少，因此 它在便携式电子产品中越来越受欢迎。它不仅可以作为独立的电源管理芯片为 各种便携式电子产品供电，更能够与d c d c 开关式电源结合，将二者的优点 充分发挥，为顾客提供高效率且低噪声的供电系统【”j 。然而，目前的电源管理 芯片市场主要被国外公司占据，国内的发展尚处于刚刚起步阶段，因此开发具 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有自主知识产权的l d o 线性稳压器具有很大的意义。 伴随着人们对最快速度和最小功耗无止境的追求，b i c m o s 工艺一跃登上 了集成电路飞速发展的技术舞台，在数字、模拟及射频i c 设计领域发挥出越来 越突出的作用，并且赢得了人们的深切关注。自1 9 8 5 年起，b i c m o s 技术结 束了最初的实验室研究阶段，并成为了一种广为采用的生产工艺。在目前的工 艺水平下，最为先进的双极型和c m o s 晶体管结构终于能够很好的融为一体。 时至今日，b i c m o s 技术已经当之无愧地称为高速、低功耗、超强功能的v l s i 制造中所采用的主导技术之_ _ 1 6 - 9 1 ，尤其是b i c m o s 的制作工艺得到极大改进 之后，无须任何额外的步骤即可将其结合到c m o s 制作流程中 1 0 l 。 自从上世纪9 0 年代出现l d o 线性稳压器以来，研究人员对它们进行了不 断的改进，以求得到更小的输入输出压差、更低的功耗和更快的速度等。因此， 在本论文中，我们将对基于b i c m o s 工艺的l d o 线性稳压器进行研究，并对 其中的误差放大器和无源调整器件这两个核心模块进行重点研究和设计。 1 ，3l d 0 国内外研究现状 目前，l d o 线性稳压器的市场主要被国外公司所占据，国内l d o 稳压器 与国外比较存在较大的差距，主要表现在设计和制造水平，产品性能以及产品 的应用水平等几个方面”。 国外l d o 标准产品设计大都采用先进c m o s 技术。为解决n p n 和p n p 双极工艺压差和功耗大的问题，对p m o s 、n m o s 和c m o s 技术进行了大量的 研究，在保持比双极和b i c m o s 工艺更低功耗的前提下，大幅度地降低了压差 电压；压差电压在降至5 0 0 m v 以下时，仍可达到几安培的输出电压电流，使 l d o 产品真正进入低压差时代。 国外先进的l d o 产品具有优异的性能。例如t i 公司的t p s 7 0 0 1 等产品， 采用p m o s 工艺制作，具有1 2 3 3 v 多个固定和可调输出，压差电压仅为 3 5 m v 5 0 m a ，而静态电流在5 0 m a 输出时只有1 7 , u a ；在中小功率范围，压差 电压在5 0 0 m v 以下，输出电流从r n a 级到6 、7 a 的产品已经很普遍。 国外产品很多都具有优良的综合性能。例如，a d i 的a d p 3 3 3 8 和a d p 3 3 3 9 两种a n y c a p 系列低压差线性稳压器，其压差电压为1 9 0 m v 1 a 。该产品可能 是体积最小、精度、智能化程度、效率、性价比最高的一类功率管理芯片，无 论采用何种类型的输出电容，都能表现出良好的稳定性。该产品保证了大负载 电流时对压差电压的要求。a d p 3 3 3 8 和a d p 3 3 3 9 还在不同的输出电压、噪声 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 抑制、电流限制和过热保护等方面进行了改进。 国外l d o 产品种类繁多，各种产品适合不同的对象，可谓琳琅满目。仅 1 r i 公司一家，目前l d o 线性稳压器的产品种类就超了2 8 9 种。 相对于国外市场来说，国内l d o 线性稳压器的开发尚处于刚刚起步阶段。 目前国内仅有为数不多的几个单位在进行开发工作，产品品种少，产量不大， 且大多数水平较低。中电科技集团第二十四研究所依靠雄厚的科研实力和坚实 的技术基础，以及对技术发展趋势和市场的把握能力，在国内该领域的开发中 处于领先地位。 1 4 本论文的主要工作 我们对l d o 线性稳压器进行了大量研究，并重点分析和设计了其中的误 差放大器和无源调整器件这两个核心模块。论文主要工作如下： 1 、研究l d o 线性稳压器的系统结构和工作原理，并对其主要性能指标和 选用原则进行了总结。 2 、设计了一款基于b i c m o s 工艺的误差放大器。低压共源共栅电流镜负 载保证放大器在低电源电压下仍具有高增益和高电源抑制比。而互补推挽结构 的缓冲电路大大提高了驱动能力。 3 、对常见的几种无源调整器件的优缺点进行总结和对比，并设计了一款具 有低漏电流的p m o s 调整管。 4 、在完成原理分析和电路设计的基础上，将所设计的误差放大器和p m o s 调整管与l d o 的其他模块整合在一起，并采用h s p i c e 对l d o 线性稳压器的 整体性能进行了仿真，主要包括静态电流、压差电压、调整率、瞬态响应特性 和电源抑制比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章l d 0 线性稳压器概述 2 1 k 0 0 线性稳压器简介 l d o 线性稳压器，也称低漏失线性稳压器，是一个自功耗很低的微型片上 系统。它是一种降压型电压调节器，可将一宽输入范围内的电池电压转换成我 们所需要的稳定电压。 l d o 线性稳压器不仅成本低，噪声低，静态电流小，而且需要的外围元件 也很少，通常只需要一两个旁路电容。如果输入电压和输出电压很接近，最好 是选用l d o 线性稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换 为3 v 输出电压的应用中大多选用l d o 线性稳压器。虽说电池的能量最后有1 0 没有使用，l d o 线性稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪声较低。 l d o 线性稳压器比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪 声特性，因此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。同时，它在调整元件上的 压降非常低，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，自从9 0 年代出现 l d o 线性稳压器以来，已从最初的输入输出压差0 2 v 降至目前的5 0 m v 左右， 某些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏，这样调整管的损耗小，提 高了输入电源的转换效率，延长了电池的寿命。 自l d o 线性稳压器问世以来，人们已对它进行了大量的研究和改进1 1 2 埘l 。 l d o 线性稳压器的产品层出不穷，性能越来越优越，应用也越来越广泛。 2 2 系统结构与工作原理 l d o 线性稳压器主要由基准电压源、误差放大器、调整管和反馈网络组成。 此外，为了实现使能控制、过温、限流保护功能还可以增加往能电路和过温、 限流保护电路。一个典型的l d o 线性稳压器简化系统框图如图2 1 所示。 当系统上电后，电路开始启动，基准电压源产生恒定的参考电压，输出电 压不断上升，由反馈网络采样到的反馈电压也不断上升，误差放大器将该反馈 电压与基准电压之间的误差信号进行放大，输出到调整管的一端，再经过调整 管放大到输出端，调节流过调整管的电流，保证整个系统的输出电压稳定在预 定值上。当输出电压降低时，基准电压与取样电压的差值增加，误差放大器输 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输 出电压超过所需要的设定值，误差放大器输出的驱动电流减小，从而使输出电 压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受误差比较放大器 和输出调整管回路反应速度的限制。 由以上分析可见，我们可以将整个l d o 线性稳压器看成一个负反馈放大 器。其中，误差放大器和调整管组成基本放大器，未调的输入电压为供电电源 电压，基准电压为输入信号，稳定的输出电压为输出信号，r f l 和r 岔构成反馈 网络。 图2 - 1 l d o 电路结构框图 设l d o 线性稳压器的开环放大倍数为a ，反馈系数为f ，则稳压器的输 出电压为 。一而a i ( 2 1 ) 通常，在实际电路中有a 1 ，故 一等一导 沼2 ， ， k ， 由式( 2 2 ) 不难发现，l d o 线性稳压器的输出电压只取决于基准电压和 反馈系数，而与输入电压和负载电流的大小无关。 l d o 线性稳压器中各组成部分的简单介绍如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 、基准电压源 在l d o 线性稳压器中，基准电压源用来产生一稳定的参考电压，它直接 影响着稳压器的输出精度，温度性能等重要指标。对于l d o 线性稳压器来说， 理想的基准电压源应该与电源电压无关，且不受温度影响。传统的基准电压源 是基于晶体管或稳压管的原理而制成的，其电压温漂为m y l 9 c 级，电压温度系 数高达l o - s o c 1 0 - 4 。c ，根本无法满足现代电子测量的需要。直到2 0 世纪7 0 年代初，维德拉( w i d l a r ) 首次提出能带间隙基准的概念后，带隙基准电压源 已成为人们最普遍关注和采用的基准电路之一【2 ”们。它不仅温漂小，而且电源 抑制比赢。所谓能带间隙，是指硅半导体毒才考斗在热力学温度为零度( q k ) 时的 带隙电压，其数值约1 2 0 5 v ，用符号v g o 表示。带隙基准电压源的基本设计思 想，就是将两个具有相反温度系数的电压以适当的权重相加，以产生一个具有 零温度系数的输出电压。最普遍采用的一种带隙基准电压源电路如图2 2 所示。 图2 - 2 经典带隙基准电压源 当电路处于平衡状态时，有 ，2 b + e ：一e 1 y 矗。，l n p ，f 。，) v 蠢口 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 一i n ( 2 j s 2 ) ( 2 5 ) 联立式( 2 3 ) 、式( 2 - - 4 ) 和式( 2 5 ) ，可以解得 i ：一( 玛) l n 【( 1 1 1 ：) 仉：1 s ，) 】 ( 2 6 ) 在运放的作用下，a 点与b 点电压相等，所以 ，l 蜀- 1 2 r 2 ( 2 7 ) 假设r - 和r 2 阻值相等，则 1 1 1 2 ( 2 8 ) 在设计时，我们使q 2 的发射区面积为q l 的n 倍，则 1 5 2t n s l ( 2 9 ) 联立式( 2 - 6 ) 、式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可得 1 1 1 2 。0 0 r 3 ) l n 雄 ： ( 2 1 0 ) 在图2 2 中，基准电压为 7 k e fi i ，艇2 + ，2 ( r 2 + r 3 ) ( 2 1 1 ) 由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) ，我们可得 一+ 巧( 1 + 务l n n ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，v s m 是一个具有负温度系数的电压，而所是一个具有正温 度系数的电压，所以只要我们选取合适的r 2 r 3 和n 值，就可以得到特定温度 下的零温度系数的基准电压。 2 、误差放大器 误差放大器在l d o 线性稳压器中主要起比较放大的作用，是一个非常重 要的模块。早期的集成稳压器中常采用图2 3 所示的误差放大器【翊，它是一个 基本的差分放大器。q ，管和q 2 管为基本的差分对管，q 1 管的基极是同相输入 端，q 2 管的基极是反相输入端。在q 2 管的集电极电路接入q 3 管制作的电流源 作有源负载。差分对管发射极电路接入q 4 管电流源作负反馈电阻，以提高共模 抑制比。这是一个双端输入单端输出的形式。在随后的发展中，人们研制出了 各种高性能的误差放大器，以提高l d o 线性稳压器的各项重要性能，并满足 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不同场合的需求。本文将在后面对误差放大器进行详细的分析和设计。 v d d v i n + 3 、无源调整器件 图2 - 3 早期l d o 中的误差放大器 无源调整器件也就是常说的调整管。当l d o 线性稳压器的输入电压或负 载电流发生变化时，调整管通过改变工作电流来保持输出电压的稳定。目前， 可供选择的调整管种类很多，本文将在后续章节对它们的性能进行分析比较， 并重点设计一款具有低漏电流的p m o s 调整管。 4 、反馈网络 由图2 1 可知，反馈网络由两个电阻r n 和r f 2 构成，它们的作用是精确采样 输出电压的变化状况，并将检测到的电压反馈至放大器的一端与基准电压比较， 从而保持输出电压的稳定。根据负反馈原理，我们可以得到： 础，：( 等。) 沼 这样，当确定了其中的一个电阻后，我们可以根据基准电压的值和输出电 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 压的要求计算出另一个电阻的大小。为了保证采样的精度，r n 和r m 的阻值通常 在几十k 欧姆以上。 5 、保护电路 为了防止输出电流过大或温度过高而烧坏电路芯片，集成稳压器中常设有 过流和过热保护电路。过流保护电路常包含一个电流采样电路和一个电压比较 器。其中，电流采样电路用来检测调整管中流过的电流，而比较器将采样电路 的输出电压和预设的参考电压进行比较。当l d o 线性稳压器的输出电流过大 时，比较器将输出一有效电平，迫使l d o 停止工作，避免烧毁芯片。过温保 护电路常利用热敏元件上的压降和一个与温度无关的电压进行比较，从而得到 一高或低电平来控制l d o 的工作与否。常温下，l d o 线性稳压器正常工作。 当温度升高到保护点时，过温保护电路的输出迫使l d o 停止工作。待温度降 下来以后，l d o 线性稳压器又恢复正常工作。为了防止热振荡损坏晶体管，过 温保护电路中常采用具有迟滞门限的比较器，迟滞温度一般为1 0 0 c 左右。另 外，除了过流和过温保护电路，有些l d o 线性稳压器中也会加入欠压和过压 保护电路。 2 3 主要性能指标 1 、压差电压( d r o p o u tv o l r a g e ) 当l d o 的输入电压大于输出电压一定数值时，系统具有保证输出电压稳 定的能力，当输入电压减小到某一临界值时，系统失去对输出电压的调整能力， 压差电压圪唧。定义为临界点处输入电压和输出电压之间的差值。设调整管在 临界点处的线性电阻为风。，负载电流为厶，则有 o - 一p ，叫一i o 墨。 ( 2 1 4 ) 在设计中；我们应尽可能地降低调整管临界工作点时的导通电阻。 2 、线性调整能力( l i n er e g u i a t i o n ) 线性调整能力是指当输入电压发生变化时，输出电压保持恒定的能力，定 义为a v o a v , 3 8 1 酉a v o 。梳1】( 警r ) a 以 i ( r 女+ r ) g 。月“i i，2j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 其中g 。为调整管的跨导，如为误差放大器的开环差模增益，月l 为负载电阻， r 出为调整管源漏间的等效电阻。 3 、负载调整能力( l i n er e g u i a t i o n ) 负载调整能力是指当负载电流发生变化时，输出电压保持恒定的能力，定 义为a v o ，。【3 9 l 坐。上陋! ! 坠1 ( 2 - 1 6 ) a ，o g 。九i r ，2 j 4 、瞬态特性( t r a n s i e n tc h a r a c t e r is t i c ) 瞬态特性为负载电流突变时引起输出电压的最大变化，它是输出电容c d 及 其寄生电阻瓞r 和旁路电容g 的函数，其中g 的作用是提高负载的瞬态响应能 力。最大瞬态电压变化。定义为【2 6 1 。c l 。o + , m a g x a t ，+ a ( 2 - 1 7 ) 式中为电阻醯r 上的压降，如为最大负载电流，m 与l d o 的闭环 带宽有关。 5 、静态电流( o u i e s c e n tc u r r e n t ) 静态电流也叫地电流，是指整个电路从电源电压吸取的电流，为输入电流 与输出电流之差，定义为，。 i4 一iiio(2-18) 6 、电源抑制比( p o w e rs u p p i yr e j e c t i o nr a t i o ) 电源抑制比表示输出电压对输入电压纹波的抑制能力，定义为p s r r 翮；鳖( 2 1 9 ) ，愀 2 4 选用原则 在选择l d o 线性稳压器时，我们需要考虑许多基本问题，主要包括输入电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 压范围、预期输出电压、压差电压、最大输出电流、负载调整率、静态电流及 其封装和功耗等。 1 、输入、输出电压及压差电压 首先要选择输入电压范围可以适应电源的l d o 线性稳压器。表2 1 列出了便 携式设备所采用的流行电池的电压范围1 4 0 1 。 表2 - 1 电池电压 电池的化学成分电压范围 锂离子锂聚合物2 7 4 2 v ( 额定3 6 v ) n i m h n i c d0 9 1 5 v ( 额定1 2 v ) a a a a a0 9 1 5 v ( 额定1 5 v ) 在确定l d o 是否能够提供预期输出电压时，需要考虑其压差电压。输入电 压必须大于预期输出电压与压差电压之和。输入输出电压差是低压差线性稳压 器最重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，线性稳压器 的性能越好。 2 、最大输出电流 用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常，输出 电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中， 应根据各部分所需要的电流值选择适当的稳压器。 3 、负载调整率 负载调整率是众多电源设备一个非常重要的参数，它反映了电源抑制负载 干扰的能力，负载调整率越低，输出负载对输出电压的影响越小，l d o 的性能 就越好。 4 、静态电流 静态电流也叫接地电流，是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供 的稳压器工作电流。为了使电池的运行时间最大化，需要选择相对于负载电流 来说静态电流较低的l d o 线性稳压器。例如，考虑到静态电流只增加0 0 2 微 不足道的电池消耗，在1 0 0 m a 负载情况下，一般采用2 0 0 u a 的静态电流比较合 理。 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 另外，还需要注意的是，由于电池的放电特性，某些情况下压降会对电池 寿命产生决定性影响。由于碱性电池放电速度较慢，其电源电压在压降情况下 可以提供比n i m h 电池更多的容量。必须在静态电流和压降之间仔细权衡，以 便在电池寿命期间获得最大的容量，因此，较低的静态电流并不能始终保证长 电池寿命。 5 、封装与功耗 便携式应用本身存在空间限制，因此解决方案的大小至关重要。裸片可以 最小化尺寸，但是缺乏封装的诸多优势，如保护、行业标准以及能够被现有装 配架构轻松采用等特性。芯片级封装( c s p ) 能在提供裸片的尺寸优势的同时还 可以带来封装的许多优势。 在无线手持终端市场需求的推动下，c s p 产品正不断推陈出新。例如，采 用0 8 4 m m x l 3 4 8 m mc s p 的德州仪器2 0 0 m a r fl d o 于2 0 0 3 年9 月份上市，其采 用可轻松装配的高板级可靠性的技术。其他小型封装包括流行的3 m m x 3 m m s o t - 2 3 、小型2 1 3 m i n x 2 3 r a ms c 7 0 ，以及亚1 毫米高度封装( s u b 1 m m h e i g h t p a c k a g e ) 、t h i n s o t 及无引线四方扁平封装( q f n ) 。由于在下侧采用了能够在 器件与p c 板之间建立高效散热接触的散热垫，q f n 因而提供更好的散热特性。 选择l d o 线性稳压器时，注意不要超过封装的最大功耗额定值。一般来说， 封装尺寸越小，功耗越小。但是q f n 封装可以提供极佳的散热性能，这种性能 完全可与尺寸是其i 5 2 倍的众多封装相媲美。 2 5 应用简介 l d o 的应用电路十分方便简单，工作时仅需要两个作输入、输出电压退耦 降噪的陶瓷电容器，见图2 4 p “。 v 。和v o t r r 的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻 郾r ) 、低价陶瓷电容器，使l d o 在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳 定。 一些l d o 有一个b y p a s s 附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步降 低噪音。 电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电容值、电介质材 料类型、物理尺寸、等效串联电阻( e s 鼬等这些重要参数都是设计工程师所要 考虑的。在l d o 使用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 器无极性和具有低的e s r ，典型值小7 ：1 0 0 m o ，电容器的e s r 对输出纹波有重 大影响，而e s r 受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响，如常用 的贴片电容器) ( 7 r 电介质是最好的，但使用成本略高，x 5 r 电介质较好，性价 比适宜，而y 5 v 电介质较差，但成本较低。 图2 - 4l d o 典型应用电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章l d 0 线性稳压器中核心模块的设计 3 1 误差放大器的设计及仿真 3 1 1 误差放大器的基本结构 在l d o 线性稳压器中，误差放大器用来比较输出反馈取样信号与基准电压。 并将差值信号经放大后，输出到调整管的输入端，控制调整管的工作状态，使 输出电压保持稳定。误差放大器是一个非常重要的模块1 4 2 州，它的性能会在很 大程度上影响整个l d o 芯片的性能，如输出电压精度、线性调整率、负载调整 率、瞬态特性等。 误差放大器是模拟集成运算放大器中的一种，种类繁多，具体的电路结构 千差万别，但其基本组成结构、基本构成原则在宏观上基本一致，由输入级、 中间级、输出级及偏置电路四大主要部分组成，如图3 1 所示。 图3 1 集成运放的基本组成部分 1 、偏置电路 偏置电路的作用是向各放大器提供合适的偏置电流，确定各级静态工作 点。放大电路中，各级要完成的功能不同，因此对偏置电流的要求各不相同。 对于输入级，通常要求提供一个比较小( 一般为微安级) 的偏置电流，而且应 该非常稳定，以便提高运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及 其温漂等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 、输入级 输入级的主要目的是抑制共模信号，且其性能对运放的其他性能指标起决 定性作用，是提高集成运放质量的关键，常采用差分放大电路的形式。差分电 路形式主要有基本形式、长尾式和恒流源式。根据集成电路的工艺特点，集成 电路中常用恒流源式差分电路作为输入级。 3 、中间级 中间级的主要任务是提供足够大的电压增益。从这个目标出发，不仅要求 中问级本身具有较高的增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输 入电阻；尤其当输入级采用有源负载时，输入电阻问题更为重要，否则将使输 入级的电压增益大为下降，失去了有源负载的优点。另外，中间级还应向输出 级提供较大的驱动电流，并根据需要，实现单端输入至差分输出、或差分输入 至单端输出的转换。 4 、输出级 输出级的主要作用是提供足够的输出功率，以满足负载的需要；同时还应 具有较低的输出电阻，以便增强带负载能力：也应有较高的输入电阻，以免影 响前级的电压增益。由于输出级工作在大信号状态，应设法尽可能减小输出波 形的失真。 3 1 2 误差放大器的主要性能指标 1 、开环电压增益( o p e ng a i n ) 指运放在开环( 无反馈) 状态下的差模电压放大倍数，该参数值越大越好。 2 、相位裕度( p h a s em a r g i n ) 当运放的频率等于增益交界频率( 即c o = o j o ) 时，所对应的相位为，( 吐访， 则相位裕度为 1 1 8 0 。一i 妒( ) | ( 3 1 ) 对于一个稳定的负反馈电路，其相位裕度为正值( 即，0 。) 。工程上一 般要求妒。24 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 、共模输入范围( c o m m o nm o d e in p u tr a n g e ) 共模输入范围说明共模数值在什么范围时，误差放大器是灵敏的，并能以 相同的增益放大不同的信号。 4 、共模抑制比( c o m m o nm o d er e j e c t i o nr a t i o ) 它主要取决于输入级差动放大电路的共模抑制比， 电压增益与共模电压增益之比，即 c m r r r 。a v a 4 许 其定义为放大器的差模 ( 3 2 ) 5 、电源抑制比( p o w e rs u p p i yr e j e c t i 0 1 1r a t i o ) 电源抑制比是用来衡量运放对电源噪声抑制能力的大小。它等于电源电压 的变化与运放输出电压的变化之比再乘上运放的开环增益。 6 、转换速率( s i e wr a t e ) 转换速率表示运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅值信号 作用时工作速度的参数，其单位用v “s 来表示。当输入信号变化斜率的绝对值 小于转换速率时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高， 要求运放的转换速率也就愈大。 在本设计中，误差放大器的主要设计指标要求如表3 - 1 所示。 表3 - 1 误差放大器的设计指标 参数设计指标 开环增益 = 7 0 d b 相位裕度 - - 4 5 0 共模输入范围 1 3 3 v 共模抑制比 = 6 0 d b 电源抑制比 = 6 0 d b 转换速率= 2 w f s 3 1 3 误差放大器的电路设计 在对误差放大器进行设计时，要从各项指标进行综合考虑，一步一步进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 设计和优化，整个设计过程是反复迭代的。首先，从放大器的角度考虑，误差 放大器应该满足高增益，高电源抑制比和高共模抑制比等必要条件。然后，误 差放大器是应用于l d o 线性稳压器中的一个重要模块，它的输出直接驱动大 尺寸的调整管，因此所设计的放大器必须具有低输出阻抗。另外，从l d o 线 性稳压器的瞬态响应速度考虑，误差放大器还应该具有高转换速率。 本文所设计的误差放大器如图3 2 所示。它由偏置电路、差分输入级、中 间放大级和缓冲输出级构成。其中，v d d 代表电源电压，v m w 是基准模块输出 的基准信号，v , m 为l d o 线性稳压器输出电压的分压信号，v a 姗a i 玎表示误差 放大器的输出信号。 v i d v 蚪 t i l 蝎 b k 一 ，m u* j r 蔓p 一h e 蝎 扯 弋q _ r 卜 q j 占 v岫o t r r c e r z 广 - 、 1q= 卜 m k 屿 j l v ， q 卜寸q 。q 学il 。 ： ：r - 地 f 。r。广 一 、 差分输入墟中蛳菔丈级缓冲输出组 _ 置电路g n d 图3 - 2 误差放大器电路图 1 、偏置电路 由于l d o 的输入电压是一宽电压范围，所以误差放大器也应该可在宽电 压范围内正常工作，因此设计一个与电源电压无关的偏置电路尤为重要。 本文所设计的偏置电路如图3 2 中所示。q 6 和r 。产生偏置电流而，并通过 m l 。m t 3 将此电流复制到其他支路中，为整个放大器提供合适的工作电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 偏置电流，o 的表达式为： i o 一 设q 6 的饱和电流为居，则 6 - h a 卫i r j 由式( 3 3 ) 和式( 3 - 4 ) 可得 - ，。r + 嵋1 1 1 詈 式( 3 - 5 ) 中，圪盯由基准模块产生 量，所以而是一个与电源电压无关的量， 范围内均能正常工作。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 电源抑制比很高，而玢和尽均为常 这样就能保证电路在较宽的工作电压 2 、差分输入级 在集成稳压器中，经常采用差分放大器作误差放大器件。因为在集成工艺 中，差分对管的电特性可以做得十分相似，这对于提高稳压器的精度和特性是 十分有利的。在分立元器件组成的放大器中，一般用电阻作为晶体管的负载。 放大器的增益与电阻阻值成正比。若要得到较高的电压增益，就必须增大负载 电阻。在集成电路中，因为制作大电阻困难大，成本高，所以常采用电流源的 输出阻抗作为负载。为了进一步提高输出阻抗，我们可采用共源共栅结构的电 流镜作为差分对管的有源负载。普遍采用的n m o s 共源共栅结构【4 7 1 的电流镜如 图3 3 所示。 根据小信号分析，可得其输出阻抗为 r d r 0 2 i a + ( g 。2 + g m 2 ) k 】+ k ( 3 6 ) 其中，t 0 1 和1 0 2 分别为m l 管和m 2 管的输出电阻，g i n 2 和g 扛l b 2 分别为m 2 管的跨 导和体跨导。 。 由式( 3 6 ) 可以看出，共源共栅结构的电流镜的输出阻抗比普通电流镜的 输出阻抗( 约为r 0 1 ) 要大很多，因此在作为有源负载时，能更进一步地提高放 大器的增益。 图3 3 中，n m o s 共源共栅电流镜的输入电压为 一3 + 4 一- ，拼+ i 么3 + i o + i 么4 ( 3 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 这里，p h 为n m o s 管的阈值电压；而3 和分别为m 3 管和m 4 管的过驱 动电压。 v d d v 瑚 v o w r 图3 - 3 普通n m 0 s 共源共栅电流镜 假设所有晶体管的过驱动电压相等，忽略体效应，则 一劬k + 2 ( 3 - 8 ) 当m l 管和m 2 管同时工作在饱和区时，有 ，一3 一， ( 3 - 9 ) 而m 2 管工作在饱和区时，必须满足 ： 圪2 ( 3 1 0 ) 因此，当m l 管和m 2 管同时工作在饱和区时，电流镜的最小输出电压为 v o w 一+ 吃2 一3 + 2 一+ p 0 3 + p 0 2 ( 3 1 1 ) 同样，假设所有晶体管的过驱动电压相等，忽略体效应，则 w 一+ 2 ( 3 - 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 由式( 3 8 ) 和式( 3 1 2 ) 可见，普通n m o s 共源