（微电子学与固体电子学专业论文）基于阻尼因子补偿的ldo设计与实现.pdf

摘要 摘要 大规模集成电路的飞速发展促进了电子产品的蓬勃发展。作为电子设备运作 的核心电源就面临了越来越大的挑战。l d o 是新一代的集成电路稳压器，其 需求量大，成本低，价格便宜，广泛应用于产品的电源管理中。因此，对l d o 进 行设计研究具有重要的学术价值和现实意义。 本文为高性能p l l 的v c o 设计了一个片上线性稳压器，用于大大降低低频电 源噪声对v c o 特性的影响，其输入电压为3 3 v ，输出电压为3 v ，负载电流范围 为1 4 m a - - - 2 4 m a 。该l d o 具有简单的外围电路( 无需片外电容元件) ，高的系统 效率，良好的温度特性，宽的电源工作范围，较好的电源噪声抑制能力和较强的 负载调整能力，同时能够在各种负载条件下稳定工作。整个p l l 项目在c h a r t e r 0 3 5 1 a mc m o s 工艺下设计完成。 文中首先分析了l d o 的基本原理，给出了电路系统的性能参数。然后，根据 负载锁相环v c o 的功能要求及性能指标构建了系统的整体框架，并制定了设计指 标。利用小信号分析方法对系统稳定性进行了分析，介绍了基于阻尼因子控制的 l d o 系统稳定补偿方法。这种补偿方法使系统无需片外电容就能稳定工作，克服 了传统的等效串联电阻补偿的不精确以及嵌入式米勒补偿不适合驱动大的负载电 容等缺点。随后，在此理论基础上对内部的各个模块，如电压基准源、误差放大 电路和调整管等进行了具体的电路设计和分析，且达到了相应的设计指标，最后， 完成了整体电路和版图设计。 关键词；低压差稳压器阻尼因子补偿带隙基准运算放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ( v i _ s i ) ，e l e c t r o n i cp r o d u c t sa r e w e l ld e v e l o p e d a st h ec o r eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t , p o w e rm a n a g e m e n ti sf a c i n gw i t h m o r ec h a l l e n g e l d oi st h en e wg e n e r a t i o nr e g u l a t o r , w h i c hi so n eo ft h em o s tp o p u l a r p o w e rc o n v c l 。t e l - sw i d e l yu s e di np o w e rm a n a g e m e n tb e c a u s eo fi t sl o wc o s t ，c h e a p p r i c e ，a n dg r e a td e m a n d t h e r e f o r ei th a sh u g ea c a d e m i ca n dp r a c t i c a lv a l u et os t u d y l d o t h i st h e s i sp r e s e n t sad e s i g no fl o w - d r o p o u tr e g u l a t o r ( l d o ) ，w h i c hi su s e dt o h i g h l yr e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h el o wf r e q u e n c yp o w e rn o i s eo nt h ev o l t a g ec o n t r o l o s c i l l a t o rf v c o ) i nah i g hp e r f o r m a n c ep h a s el o c k e dl o o pf il l ) t h ei n p u tv o l t a g eo f t h el d oi s3 3 v , t h eo u t p u tv o l t a g eo fi ti s3 v , a n dt h el o a dc u r r e n tr a n g e sf r o m1 4 m a t o2 4 m a f u r t h e r m o r e ，t h el d oh a ss i m p l ep e r i p h e r a ld e v i c e s ( c a p a c i t o r - f r e eo f o u t - c h i p ) ，h i g hs y s t e me f f i c i e n c y , g o o dt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t , 丽d ep o w e ro p e r a t i n g r a n g e ，g o o dp o w e rs u p p l yn o i s er e j e c t i o na n dg o o dl o a dr e g u l a t i o n m e a n w h i l e ，i tc a l l o p e r a t es t a b l yi na n yc a s eo fl o a d t h ep r o j e c to fp l l h a sb e e ni m p l e m e n t e di nc h a r t e r 0 3 5 p mc m o sp r o c e s s t h et h e s i s ，f n s t ，a n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fl d ol i n e a rr e g u l a t o r , a n dp r e s e n t s t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i ts y s t e m a n dt h e n ，t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e l d ol i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ri sc o n s t r u c t e db a s e do ni t sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t a f t e rt h a t t h ed e s i g ni n d e x e sa r em a d e s e c o n d ，i ta n a l y s e st h es t a b i l i t yo f t h es y s t e mu s i n gs m a l l - s i g n a lm o d e l ，a n dt h e ni n t r o d u c e sa c a p a c i t o r - f r e ec m o sl d o l i n e a rr e g u l a t o rw i t hd a m p i n gf a c t o rc o n t r o lf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n t h i sk i n do fl d o o v e r c o m e st h ei m p r e c i s i o no ft h ee s r f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o na n dt h es h o r t c o m i n go f t h en e s t e dm i l l e rf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n 删m c ) su n s u i t a b i l i t yf o rd r i v i n gl a r g e c a p a c i t i v el o a d s t h i r d ，b a s e do nt h ea b o v et h e o r i e s ，t h ec i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o n m e a n sh a v eb e e nc o n c r e t e l ya p p l i e di nt h ei n t e r n a lm o d u l e so fv o l t a g er e f e r e n c e ，e r i o r a m p l i f i e ra n dt h ep o w e rt r a n s i s t o ra n ds o o n t h er e l e v a n td e s i g ni n d e x e sa r e s u c c e s s f u l l ya c h i e v e d a tl a s t ，t h ew h o l e c i r c u i ta n d l a y o u td e s i g na r ec o m p l e t e d k e y w o r d s ：l d o ，d a m p i n g - f a c t o r - c o n t r o lf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n , b a n dg a p r e f e r e n c e ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期z ! ! 查：! ：兰步 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 大规模集成电路的飞速发展使得电子产品的体积越来越小，促进了便携式电 子产品如雨后春笋一般蓬勃发展，不断添加的新特征和能力，使得电子产品变得 越来越复杂。电源管理芯片作为电子产品中必不可少的器件之一，它与整个电子 工业的发展休戚相关。 电源管理和电源控制i c 是整个半导体产业中最为活跃的领域之一。这是因为 功耗与成本问题始终是人们最为关注的焦点，也是元器件供应商和终端设备制造 商在产品开发阶段经常面临的技术挑战。因此，降低电子产品的功耗成为广泛需 求，它将推动电源管理器件市场的稳步发展。同时，随着新型高性能、小体积便 携式设备( 如p d a 、笔记本电脑等) 的需求日益增大，器件体积不断缩小，包含 的功能模块不断增多，消耗的功率成倍增长，对电源管理i c 的要求更加复杂和严 格，不仅追求高集成度、高性价比、体积小、重量轻，还要求低噪声、低纹波、 高效率以及简单的外围设备等。因此，具有最佳性能指标、最简外围设备、高集 成度和高性能的电源管理i c 将具有更广阔的市场前景。通信与网络、计算机与消 费电子、工业与汽车电子等诸多产品领域的需求增长带动了电源管理市场的强劲 增长。电源管理器件市场的增长速度比终端市场的成长速度要快。随着终端产品 对电源供应的要求越来越复杂，各种类型的电压调整器被大量使用，使得电源管 理器件的发货量远远高于终端设备的发货量。【l 】 2 1 电源i c 产品主要包括线性稳压器、开关式稳压器( d ( ：d c ) 、电池充电管理 i c ，p w m p f m 控制器、a c d c 稳压器及功率因数校正( p f c ) 预稳压器等，其 中集成稳压器( 电压稳压器) 是最常用的电源管理芯片。由于它使用方便、体积小、 性能良好、可靠性高，所以在电源管理市场中占有很大比重。其产品主要包括线 性稳压器和开关式稳压器( d c d c ) 等。目前，虽然开关式稳压电源比线性稳压电源 的工作效率高，输出电压变化范围大，但其电路复杂，需要外接电感或变压器， 存在大的电磁干扰，因而使用受到限制。尤其在噪声要求严格的移动电话中，r f 电路对供电电源的输出纹波要求很高，为避免电源开关噪声的影响，防止r f 各部 分电路之间互相干扰，不能采用开关式稳压电源。线性稳压电源的功率器件工作 在线性放大状态，与相同功率的开关稳压电源相比，它具有稳定度高、可靠性好、 成本较低的优点，此外还具有较好的负载暂态特性、无开关噪声、结构简单等许 2 基于阻尼因子补偿的l d o 设计与实现 多特点。因此在一些中、小功率及对电性能指标要求比较高的场合中，线性稳压 电源占有很大的市场。【l 】 低压差稳压器( l o wd r o p - o u tr e g u l a t o r ) 是一个微型的片上系统，他根据负 载电阻的变化情况调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变，是新一 代的集成电路稳压器，是新型的线性稳压电源。 低压差( l d o ) 线性稳压器的突出优点是：成本低、噪声低、静态电流小。较低 的输入输出压差降低了调整管上的损耗，提高了电池的使用效率。所以，如果输 人电压和输出电压很接近，最好是选用l d o 稳压器，可达到很高的效率。通常在 把电池电压转换为3 v 输出电压的应用中大多选用l d o 稳压器。虽说电池的能量 最后有1 0 0 o 没有使用，l d o 稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长。同时较低 的噪声，能适应手机、蜂窝电话、数码相机、笔记本电脑、m p 3 及各种便携消费 电子产品对电磁兼容的苛刻要求。l d o 线性稳压器比传统的线性稳压器有更高的 电源转换效率，而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，因此他在便携式电子产品中越来越受欢迎。自从9 0 年代出现l d o 线性稳压 器以来，己从最初的输入偷出压差0 2 v 降至目前的5 0m 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。此外，外围设备简单( 通常只需要一两个旁路电 容) 、系统集成度高、成本低、功耗低。众多便携电子产品的设计者将从l d o 所 具有的高效率、高集成度、小巧外形、低成本以及设计灵活性方面大大获益，并 且也可为使用电池供电的系统提供完整、高效而又经济的电源解决方案。 在目前所有这些电源i c 中，线性稳压器i c 的销售额最大，而l d o 线性稳压 器在工作电流、最小输入输出压差、噪声及封装等方面的改进使其成为增长最多 和最快的产品，具有广阔的应用市场。此外，便携电子产品的不断涌现，在很大 程度上又促使了l d o 的快速发展。 考虑便携式应用中所采用的专用电路的低噪声要求，r f 电路包括低噪声放大 器( l n a ) 、升压降压转换器、混频器、p l l 、v c o 、i f 放大器和功率放大器等， 需要采用具有低噪声和高p s r r 的l d o 。在设计现代收发系统时应非常小心，以 保证低噪声和高线性。电源噪声会增加v c o 的相位噪声，而且会进入接收或发送 放大器。为了满足手机m p 3 、游戏以及多媒体p d a 应用等便携式设备中的音频需 求，l d o 在音频频率( 2 0 h z 一2 0 k h z ) 时应该是低噪声并可提供高p s r r 。【3 】，【4 】 本文的工作目的为一个用于对讲机、无绳电话等无线通讯系统的频率综合器 锁相环的v c o 设计电源，用于大大减小电源电压噪声对v c o 相位噪声的影响。 作者对各类型电源芯片的工作原理、应用场合及优缺点进行了认真分析，同时对 本文所要设计的负载( 高性能锁相环v c o ) 进行了严格的仿真，充分了解了负载 的工作情况以及对电源管理模块的要求。在此基础上，设计了线性稳压电源中所 第一章绪论 3 需压降最小、效率最高的1 2 3 0 。 1 2l d o 的发展状况 根据线性电压变换器导通元件( p a s se l e m e n t ) 结构的不同，线性电压变换器 可分为：标准的( m n 达林顿) 线性电压变换器、准l d o 线性电压变换器和l d o 【5 】。 这三类线性电压变换器最主要的差别是电压降( d r o p o u tv o l t a g e ) 的不同。所谓电 压降是使线性电压变换器的输出电压达到正常工作时所需的最小输入电压与正常 工作时的输出电压之差。线性电压变换器设计的关键之处在于电压降小，从而效 率高、功耗小。在这三类线性电压变换器中，标准的( m n 达林顿) 线性电压变 换器所需压降最大，因而其效率最低；而l d o 采用p m o s 作为调作管，所以压降 最小、效率最高，因此其应用也最广泛。 5 1 目前，采用p n p 管作为通路元件的l d o 调节器几乎终结了早期的n p n 线性 调节器。c m o s 技术通过采用p m o s 作为通路元件给l d o 调节器带来进一步的发 展。到现在为止，采用b i p o l a r - c m o s d m o s ( b c d m o s ) 技术的n 沟l d o 器件， 已克服了早期器件的主要缺点。 我们已经知道l d o 调解器最重要的性能指标之一是实现较低的压差，所以在 市场要求调节器消耗更低能量的情况下，很多系统已经从纯线性调节走到了两级 调节。两级调节采取在l d o 调节器的后面加一个高效率开关模式的转换器的结构， 将高效率与低噪声和快速瞬态响应结合在一起。效率最大化要求线性调节器两端， 的压差尽可能小，这样就对进一步降低压差产生了更大的压力。早期电压调节器 的压差电压一般都大于1 v ，而目前l d o 调节器的压差电压通常都要求低于5 0 0 m v 。 高效率要求调节器具有低静态电流，即地脚电流。地脚电流是无用的电流， l d o 调节器不会把这个电流提供给负载。尽管许多l d o 的生产商宣称他们的产品 有小于1m a 的地脚电流，但是在满额定负载或在压差电压的条件下，大多数还远 远达不到这个数值。在这种条件下，新制定的性能目标已经将小功率l d o 调节器 的地脚电流降到了大约l m a 。 标准的l d o 调节器一般需要2 - - - 1 0 9 f 的输出电容。尽管输出电容不能够通过 提供瞬态峰值电流来提高瞬态响应能力，但为了保持调节器的稳定，这个电容一 直是必要的。该电容器的要求十分苛刻，为了达到稳定的目的，需要规定电容量 和e s r 的最大最小值。因此，l d o 调节器的研究者为开发“无电容 的l d o 调 节器作了大量的工作。 工艺的进步可以提高l d o 的性能。例如，r e g l 0 1 r e g l 0 2 1 0 3 系列l d o 调 节器采用b c d m o s 工艺和在射极跟随结构里采用n 沟道双注入m o s ( d m o s ) 工 4 基于阻尼因子补偿的l d o 设计与实现 艺，达到了很低的压差电压和低地脚电流，并保持低噪声和良好的瞬态性能。这 类调节器取消了通常为保持稳定性而采用的输出电容器。1 5 为了满足市场需要，近年来开发出各种新型的l d o 稳压电源i c ，这些l d o 电源i c 具有以下特点同： ( 1 ) 超低压差，目前1 5 0 m a 的l d o 芯片( 如s a 5 7 0 0 0 ) 在负载电流5 0 m a 时压差仅为8 5 m v ，提高了转换效率； ( 2 ) 超低功耗，像m a x l 7 2 5 这类l d o 稳压电源i c ，能在4 a 的超低电源 电流下保证正常工作，在以电池作为电源的系统中应用，能延长电池的使用寿命； ( 3 ) 超低噪声； ( 4 ) 采用小型和超小型封装，如3 脚s o t 2 2 3 、5 脚s o t 2 3 、8 脚s c 7 0 j w ； ( 5 ) 多功能化，目前，把过热保护、过流保护等多种功能都集成到l d o 稳 压电源芯片内部； ( 6 ) 外围元件最少，仅需一两个电容，有些l d o 器件甚至不需要输出电容， 因此使p c b 版尺寸大大缩小，节约了空间，也降低了成本，提高了系统的集成度。 1 3 本文的主要工作 本文设计的l d o 是为高性能p l l 的v c o 设计的一个低压差线性稳压器，目 的是为了降低低频电源噪声对v c o 特性的影响。其正常工作时最低输入电压为 3 2 7 v ，输出电压为3 v ，具有较低的电压降。输出电流在1 4 m a - - 2 4 m a 范围变化， 系统都能稳定且具有良好的电源抑制性能，此外，该电路外围电路简单，无需片 外电阻、电容元件，并且具有宽的输入电压范围( + 3 2 7 v + 5 v ) 。 本文主要工作如下： ( 1 ) 对低压差稳压器的工作原理进行了深入分析，根据负载锁相环v c o 的 功能要求及性能指标构建了系统的整体框架；从判断系统稳定性的基本原理和方 法出发，利用小信号分析方法对系统稳定性问题进行了分析讨论，并分析了l d o 系统稳定性补偿方法，比较了传统的频率补偿方法以及嵌入式米勒补偿方法，最 终选用了基于阻尼因子控制的频率补偿并辅以零极点抵消法，确保系统稳定工作。 这种补偿方法使系统无需片外电容就能在各种负载( v c o ) 工作条件下稳定工作， 克服了传统的等效串联电阻( e s r ) 补偿的不精确以及米勒补偿中易引入额外极点 而需要加入缓冲级等缺点：抑制了电源电压变化对v c o 特性的影响，大大降低了 系统成本，提高了系统集成度。 ( 2 ) 对l d o 各个功能模块进行电路设计，主要包括：基准电压源、误差放 大器、调整管的选取与设计等。在基准电压源设计中，为提高其工作范围采用了 第一章绪论 5 自偏置结构；为提高基准电压源的带宽和电源抑制比，对其进行了小信号的建模 和分析，找到了解决方案；并对启动电路和使能电路进行了仔细的设计和仿真， 启动电路实现了有效启动和自关断，使能电路能有效的关断整个模块，实现低的 功耗。在误差放大器设计中，采用三级运放结构，结合阻尼因子补偿和零点抵消， 使系统具有高增益、宽带宽、高电源抑制、良好稳定性。采用c a d e n c es p e c t r e 工 具对电路进行了全面的仿真分析，分析结果表明系统的功能及性能达到了设计指 标。 ( 3 ) 完成了l d o 的版图设计和验证。 1 4 论文章节安排 把本文分为五章，其具体安排如下： 第一章说明了开展本课题的背景和意义，简单介绍本文的工作。 第二章首先，阐述了l d o 的工作原理、整体架构以及电路的工作过程：其 次，给出l d o 的设计考虑和性能指标；最后，根据负载( v c o ) 的性能要求，构 建了系统的整体架构，并制定出设计指标。 第三章首先，概要地介绍了阻尼因子补偿c m o sl d o 结构；其次，从详细 介绍各子模块( 基准电压源、误差放大器和功率管) 工作原理和设计指标入手， 结合设计要求，分别对各子模块进行晶体管级电路设计，并给出仿真结果。最后， 把各个子模块组合成一个系统，对整个系统进行y d , 信号分析，并进行了电路仿 真。 第四章介绍l d o 的后端设计。着重介绍了版图设计中需要注意的问题，给 出了芯片内部主要电路的版图。 第五章对本文工作进行总结，并对l d o 设计的发展做出展望。 第二章低压差稳压器的整体设计方案 7 第二章低压差稳压器的整体设计方案 低压差稳压器( l d o ) 是一种广泛应用于便携式电子设备及移动通讯等领域的 标准电源模块电路。l d o 电路也被作为供电模块集成在芯片上，用于向高性能数 字模块、模拟模块和射频模块电路供电。 本章首先分析l d o 的工作原理，然后介绍与之相关的设计指标，最后根据负 载设计要求给出设计参数指标。 2 1 l d o 的工作原理 l d o 是一个输出电压恒定的电压源，它能够随着负载电阻大小的改变而改变 芯片内部电阻的大小，从而输出一个恒定的电压值。 图2 1 恒压源 如上图2 1 所示：l d o 的内阻必须远小于外电路负载( 融n r o u t ) ，这样才 能保证负载电阻在一定范围内变化时，输出电压是一个恒定的值。电压源的输出 电压如下： = 吒冱1 2 舢 r o m 如式( 2 1 ) 所示，只有r i n 1 m h z ； 系统线性调整率：o 0 8 v ； 系统负载调整率：o 0 0 1 m a ； 在负载电流为1 0 m a 到2 4 m a 变化时，芯片压差：v d r o p o u t 3 0 0 m v 静态电流：i q 1 5 0 p a ； 温度系数：温度在- 4 0 c , - - , 8 0 c 范围内变化， 其温度系数t c _ 2 5p p m c ； ( 8 ) 电源抑制比：低频时p s r 6 0 d b ，在i o o k h z 时，p s r 第三章阻尼因子补偿c m o su ) o 设计 2 l 其基本工作原理在于利用p n 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个p n 结电压差的正温度系数相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。理论证明， 这个输出电压值在绝对零度时等于硅的带隙电压，所以称这种电路为带隙基准电 压源。 图3 4 中，p n 结二极管的正向电压具有负温度系数，二级管正向导通电流为： 监 i 。= ，已v r ( 3 1 ) 其中热电压v r = k t q ，k 是b o l t a m a n n 常数，q 是电荷量， 电流，它正比于肚研，。从而可以推导出： = 讪乞 孥= 鲁h 考专磬 v b e 一媳+ m w r e