（微电子学与固体电子学专业论文）片上高速响应低压差线性稳压电路的研究与设计.pdf

墨兰盔兰堡堡窒二丛! ：堕望堕坐堡堡篓垡堡垒堡皇堕塑堕壅：! 鲨生j 摘要 掣iiill97i i i i i i l l i7iii必ii 随着便携式电子产品的普及，电源管理解决方案不断追求高效率、小芯片面 积、低成本，这使得l d o 越来越受欢迎。无片外电容的l d o 可实现片上集成， 随着s o c 的进一步发展，必将越来越成为主流。片上集成减小了p c b 的面积， 但同时也对电路设计师提出了新的挑战。传统结构的l d o 严格选择片外电容的 e s r ( 等效串联电阻) 范围，以保证多极点系统的稳定性；并且，大的片外电容 可以在负载电流发生跳变时为负载电路提供电荷，提高l d o 的瞬态响应。 针对以上问题，设计了一种具有负载调整补偿结构的单级l d o ，达到去除 片外电容，提高瞬态响应的目的。使在无需输出大的片外电容前提下具有响应快 速负载电流变化的能力，减少由于负载电流迅速变化引起的电压纹波。同时仅依 靠10 0 p f 的片上寄生电容使l d o 在负载变化的情况下仍能保持稳定，减少l d o 的芯片面积，从而使其适用于s o c 的集成。 芯片采用s m i c0 1 8 岫，1 8 w 3 3 vc m o s1 p 6 m 工艺，面积为1 0 5 5 m 1 3 0 0 p m 。测试结果表明，在目前的测试条件下，所设计的片上线性稳压电路对 上升、下降时间均小于1 6 0 n s 的脉冲信号具有良好的瞬态响应，在等待模式下具 有2 0 衅的静态功耗。 关键词：线性稳压器；低压降；频率补偿；瞬态响应；输出电容 复口人学硕i ：论义一片i ：高速响应低乐差线性稳压电路的研究与设计 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o n so fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，p o w e rm a n a g e m e n t r e q u i r e sh i g h e re f f i c i e n c y , s m a l l e ra r e aa n dl o w e rc o s t ，w h i c hm a k e sl d o m o r ea n d m o r ep o p u l a r t h el d ow i t h o u to f f - c h i pc a p a c i t o rc a nb ei m p l e m e n t e do nc h i p ，s o t h a ti tw o u l db e c o m et h em a i n s t r e a ma c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fs o c t h e o n - c h i pi m p l e m e n ts a v e st h ea r e ao fp c b ，b u ta tt h es a m et i m ei tc h a l l e n g e st h e e n g i n e e r sa g g r e s s i v e l y t h e r ei ss t r i c ts e l e c t i o no fe q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t o ri n t h e t r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r et oa s s u r et h es t a b i l i t yo fs y s t e m b e s i d e s ，u s i n gl a r g eo u t p u t c a p a c i t o rw o u l da f f o r dc h a r g et ol o a dc i r c u i tw h e n t h el o a dc u r r e n tc h a n g e sal o t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m s ，t h er e s e a r c hd e s i g n sas i n g l es t a g er e g u l a t o rw i t h i m p r o v e dl o a dr e g u l m i o n t h i sa r c h i t e c t u r eh a sag o o dt r a n s i e n tr e s p o n s ew i t h o u t o f f - c h i pc a p a c i t o r i tc a na c h i e v es t a b l es t a t ea st h el o a dc i r c u i tv a r i e sw h i c hi to n l y u s e sl e s st h a nlo o p fo n - c h i pp a r a s i t i c a lc a p a c i t o r t h i sd e s i g nr e d u c e st h ec h i pa r e a , s oi ti sa p p l i c a b l et oi m p l e m e n to fs o c t h ec h i ph a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t hs m i co 18 “m1 8 v 3 3 vc m o s1p 6 m p r o c e s s t h ec h i pa r e ai s10 5 5 9 m x13 0 0 # m t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h el d oh a sa g o o dt r a n s i e n tr e s p o n s ea c c o r d i n gt ot r a n s i e n ts i g n a lw i t hl e s st h a n16 0 n sr i s i n ga n d f a l l i n gt i m ei np r e s e n tc o n d i t i o na n dd i s s i p a t e s s t a t i cc u r r e n to f2 0 1 x aa ts t a n d b y m o d e k e yw o r d s ：l i n e a rr e g u l a t o r ；l o wd r o p o u t ；f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n ；t r a n s i e n t r e s p o n s e ；o u t p u tc a p a c i t o r h 复口大学倾十论文一片上高速响j 衄低压差线性稳乐电路的夥f 究j 设计 1 引言 1 1 研究背景和意义 便携式电子产品的迅猛发展使设计师们面临着前所未有的挑战，对高性能电 源管理系统的需求便是这些挑战中的一个。设计师努力在这些系统诸多相互冲突 的目标之间寻求着某种最佳的平衡，包括：长久的电池运行时间、与多种电源的 兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的热管理。“更小、更便宜、更高效率” 反映了对下一代便携式设备电源管理系统的要求，业界不断地将这些要求推向极 致。电源管理的最佳解决方案取决于整个系统指标的要求以及体积、成本或效率 方面的综合要求。 以手机为例，使用者对通讯便利性要求越来越高，使得手机行业在近几年有 了飞速的发展。从模拟到数字，从黑白屏到彩屏，从简单的通话功能到网上冲浪、 可视对讲、移动电视、g p s 定位，新的应用层出不穷。新型的手机不仅是蜂窝电 话，还兼具掌上电脑( p d a ) 、数码相机、m p 3 播放器和g p s 功能于一身，消费 者可以随时随地方便地进行通信、工作和娱乐活动。但随着手机系统功能越来越 复杂，对供电系统的稳定性、供电电压、效率和成本的要求也越来越高。相应的 系统供应商，也随之更新自己的电源管理单元( p m u ) 。但是，作为系统级芯片 的更新，远远慢于产品功能的更新换代。图1 1 是电源管理芯片的基本框图【i 】， 把l d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 稳压器直接连接到锂电池的应用是处理器电源 管理的最简单且成本最低的解决方案。 l d o 是利用较低的工作压差，通过负反馈调整输出电压使之保持不变的稳 压电路。根据制成工艺的不同，l d o 有b i p o l a r ，b i c m o s ，c m o s 几种类型， 性能有所差异，但随着成本压力的增大，c m o sl d o 目前成为市场的主流。从 结构上来讲，l d o 是一个微型的片上反馈系统，它由电压电流调整的功率 m o s f e t 、肖特基二极管、取样电阻、分压电阻、过流保护、过热保护、精密基 准源、放大器和p g ( p o w e rg o o d ) 等功能电路在一个芯片上集成而成。 但是电源管理市场上不是l d o 一枝独秀。由于高效率的优点，过去几年里 开关稳压器倍受欢迎，它不但能够实现升压、降压、升降压和反相，而且输出 电流能力大。但它同时也具有系统复杂、开关噪声和输出纹波较大、成本相对较 高的缺点。 与开关电源i c 相比，线性稳压器电源i c 具有以下几方面的突出特点： 1 线性稳压器具有小封装尺寸，因此适合应用在便携电子设备中，如移动 电话、无线调制解调器和p d a 等： 复旦大学硕士论文一片上高速响应低压差线性稳压电路的研究与设计 2 外围电路简单，线性稳压器外围通常只需2 到3 个电容即可构成整个电 源系统： 3 超低的输出电压噪声以及低输出纹波，非常适合作为对噪声敏感的供电 电路，同时因没有开关导通关断时大的电流变化所引发的电磁干扰。 图1 1 电源管理芯片基本框图 因此对于手机中一些关键的器件，例如射频模块的供电电源，g p s 模块的 p l l 供电电源，对于输出纹波、p s r r ( 电源纹波抑制比) 性能的要求很高，而 这些指标会直接影响手机的信号接收灵敏度以及g p s 的信号接收灵敏度，l d o 毫无疑问成为最佳的选择。因此，各种l d o 在手机中的应用，始终充满活力。 对于手机来说，主要分成射频，基带，p m u 三大功能单元。p m u 虽然可以 满足其中大部分供电的需求，而对于射频部分的供电，摄像头模组的供电，g p s ， 以及w i f i 部分新增的供电需求，由于p m u 本身更新的速度，以及考虑成本、 散热问题，并不能满足，需要通过额外的电源供应。由于l d o 具有极低的静态 电流、噪声，以及较高的p s r r ，并且可以达到很低的d r o p o u tv o l t a g e ( 输入输出 压差) ，可以满足在这些应用条件下的供电要求。 大部分手机采用l i i o n 电池供电，l i i o n 电池充满电后的最大电压典型值为 4 2 v 。图1 2 所示为典型的锂电池放电周期。随着电池能量释放，其供电电压会 2 复旦大学硕i ：论文一片i ：高速响心低k 差线性稳压电路的研究与设计 随之降低。如果核心电路所需的供电电压为1 8 v ，且l d o 的d r o p o u t 电压为 0 2 v ，则电池供电电压降低到2 v 时，l d o 仍能正常工作。因此为了尽量提高电 池的使用效率，希望电池放电后的电压降到尽量低时，稳雎器仍能提供稳定的输 出电压【2 1 。 4 5 4 0 ，、 、 3 5 畏 ， o 3 o 2 5 0 2 0 4 06 08 01 0 0 1 2 0 d i s c h a r g ec a p a c i t y ( ) 图1 2 典型锂电池放电曲线 1 2 论文的主要工作 本文的主要工作是设计一种为便携式电子产品f l a s h 、e e p r o m 等存储芯 片供电的l d o 线性稳压器，它具有较低的噪声、无需片外电容、高速的瞬态响 应速度的特点。f l a s h 芯片要求l d o 稳压器的最大负载电流为5 0 m a ，并且要 求负载瞬态响应时间在2 0 n s 左右。芯片的供电电压要求l d o 输出电压为1 8 v 。 文中提出了一种负载调整增强型单级l d o ，在分析了传统l d o 的特点及限 制因素基础上，针对无片外电容的高速瞬态响应设计难点进行研究。 这个项目是一个合作项目，复旦大学作为主要设计方承担了从系统设计，电 路设计，版图设计到最后的芯片测试的整套工作。从提出系统设计指标，用了3 个月的时问进行资料搜集和准备工作，并通过理论分析确定了系统的体系结构： 接着花了8 个月完成了晶体管级的电路设计，系统的仿真结果达到了系统设计指 标的要求；然后花了1 个月完成了芯片的版图设计，最后花一个半月的时间完成 芯片测试用p c b 的设计及对芯片的测试。 复口火学硕寸：论文一片卜高速响j 衄低乐差线性稳压i 乜路的研究与设计 1 3 论文的组织结构 本论文共有六章，第一章为引言，在查阅文献资料的基础上对项目的背景知 识、项甘意义以及作者所从事的主要工作进行了概括，从而对研究工作有一个总 体的概念。后面的章节将对l d o 的工作原理进行详细的分析和讨论，这些部分 组织如下： 第二章首先介绍l d o 的一些基础知识，包括l d o 的原理分析、衡量l d o 性能的各项指标、常见的体系结构以及系统的稳定性分析等。 第三章重点分析了l d o 的瞬态响应特性，并研究了几利，具有快速响应速度 的体系结构。 第四章在前几章的基础上给出了一个具体设计实例，着重阐述了各个模块的 实现方法。并设计出各子模块的实际电路图，进行原理分析，根据指标要求进行 电路的优化和元器件参数的调整，使整体电路的电特性参数达到设计要求，最后 给出了仿真结果。 第五章介绍了重要模块的版图设计以及测试电路的p c b 板设计，并给出了 l d o 芯片的测试结果。 第六章对整个论文进行了总结和展望。 4 复口火学硕：i ：论义一片i ：高速响应低j k 差线性稳乐电路的研究j 设计 2 系统研究 这一章将以传统的低压差线性稳压器为基础，根据系统指标的要求，分析系 统结构，参数选取等几方面的问题。 2 1 工作原理 低压差线性稳压器( l d o ) 主要由基准电压源及其启动电路、误差放大器、 调整元件( 功率管) 以及保护电路组成。结构框图如图2 1 所示。 v d d 图2 1l d o 框图 系统上电时，启动电路使基准电压建立到正常工作状态，产生一个精准的参 考电压v r ，输入到误差放大器反相端。采样电阻网络将输出电压进行分压得到 反馈电压，并输入到误差放大器的同相端。误差放大器放大基准电压和反馈电压 之间的差值，其输出驱动功率管的栅极，通过改变功率管的导通状态来控制稳压 器的输出电压。当反馈电压小于基准电压时，误差放大器的输出控制功率管使其 流过更大的电流，使输出电压上升；反之亦可达到稳压效果。保护电路用来防止 因环境突变而引起的系统永久性损坏，通常有过温保护电路、限流保护电路、电 池反接保护等。 基准电压、误差放大器、输出功率管和采样电阻形成了一个负反馈系统，假 设该负反馈系统稳定且开环增益远大于1 ，则输出电压v 砌可近似为： dd ，半 ( 2 1 ) 【2 其中v r 为基准电压源输出的精准参考电压，r 1 、i 也为采样电阻阻值。 为进一步理解线性稳压器这一名字的由来，将l d o 的简化模型示于图2 2 。 连接于输出与输出电压之间的功率晶体管即为电压调整管，它相当于一个可变压 复口人学硕l ：论文一片上高速响心低压羞线性稳压电路的研究j 设计 控电阻，由c o n t r o l 端电压控制可变电阻大小。输出电压v 。是由功率晶体管的 导通电阻( 心) 与负载r l 分压得到的，若输入电压发生变化或负载发生变化， 控制端电压也随之变化以控制r 。值，这样保证输出电压稳定。对于p m o s 功率 管，电压调整器件必须工作在饱和区，因此电压调整管的尺寸通常取较大值以满 足工作在饱和区的要求，同时亦可实现更小的输入输出压差。 通过调节可变电阻的阻值使输入电压的线性分压恒定，因此称之为线性稳压 器。模型巾的r 1 实际是输出负载与反馈电阻网络的并联。 吃= ( 曷+ 局) ( 2 2 ) o n 刍 - _ _ i 。_ | t r a n s i s t o r v 。t 图2 2l d o 简化模型 2 2 性能指标 l d o 的性能指标主要包括三类，分别是调整特性、电流效率、工作电压范 围。具体而言，l d o 的性能指标包括：输入输出压差、线性调整率、负载调整 率、温度系数、输出电压的瞬态响应速度、静态电流、电源抑制比以及输出噪声 等【3 l 4 l 。在电路设计时，根据应用中的具体要求对各项参数进行折衷考虑，并选 择、优化结构。 2 2 1 最小压差 l d o 的压差( d r o p o u tv o l t a g e ) 定义为当系统输出稳定时输入电压与输出电 压之间的最小差值。它产生的原因在于，当l d o 工作时功率管导通等效为电阻 r d s ( o n ) ， 刊= 一= ( 训乙 ( 2 3 ) 由式2 3 可以得到，增大功率管尺寸可以减小导通电阻，从而降低系统压差。 图2 3 为l d o 输出电压随电池电压变化的典型曲线。通常而言，在测试压 6 复口大学硕上论文一片f ：高速响膨低压羞线性稳慷电路的研究! j 设计 差时不同的厂家有不同的标准。德州仪器( t i ) 电压差定义为输出电压较其标称 值跌落2 时的输入、输出电压的差值；其它的如，美信( m a x i m ) ，圣邦微电 子( s g m c ) 电压差定义为输出电压较其标称值小于1 0 0 m v 时的输入、输出电 压的差值。本设计巾采用第二种压差定义。 l d o o u t p u t v o l t a g e b a t t e r y m i nm a x b a t t e r y 堂曲竖堂垒生j v o 协g e 图2 3l d o 输出电压与电池电压关系曲线 2 2 。2 线性调整率 线性调整率定义为负载电流固定的条件下，输出电压随输入电压变化的比 率。对于图2 4 中传统应用的l d o 结构，定义如下： 畿g = p r o p + 砸1i a v 圪r e f a a o 。】 亿曲 吃p 【圪j 其中a o 是l d o 环路开环增益，g m p ，r o p 分别是功率管的跨导和输出电阻，反馈 系数p = r 2 ( r i + r 2 ) 。 图2 4 中传统应用的l d o 输出端连接旁路电容以及带等效级联电阻( e s r ) 的输出电容，以达到输出滤波并且保证稳定性的目的。 图2 4 传统l d o 应用电路图 7 复口人学硕 j 论文一片l ：高速响廊低压差线性稳压电路的研究与设计 2 2 3 负载调整率 负载调整率定义为固定输入电压下，输出电压随负载电流发生变化的比率， 表达式为： 兄= 笔南 眨5 ， 其中各项参数同线性调整率巾定义。 从上面的公式2 4 及2 5 可以看出，环路增益越大，l d o 的输出电压值的变 化受负载电流或者输入电压变化的影响越小，输出电压越恒定。 2 2 4 温度系数 温度系数是指输出电压随环境温度变化的比率。l d o 的温度系数与带隙基 准电压的温度漂移以及由温度引起的误差放火器的失调相关。 2 2 5 瞬态特性 瞬态特性为负载电流发生突变时引起输出电压的最人变化，它主要是由输出 电容及其寄生电容e s r ，旁路电容，l d o 系统的闭环带宽，以及l d o 的负载电 流决定。最大瞬态电压变化发生在负载由空载到满载或是由满载到空载时，定义 为： 百j l o a d 面- m a x a t + a v e , 2 6 其中v 仃是输出电压变化值，i i 融嗽是指标规定的最大负载电流，c 。是输 出电容，c 。是旁路电容，k 是由于输出电容上的e s r 引起的f g e , 变化，t 是 l d o 能够做出响应的时间，与运放的压摆率以及系统的闭环带宽有关。旁路电 容对输出电容的e s r 具有有效地滤波作用，从而可以减少瞬间电流流经e s r 产 生的电压变化。对l d o 而言，提高系统带宽、增大输出电容以及减少e s r 可以 有效减少瞬态输出电压的变化。 我们将在后面章节对l d o 的瞬态响应特性做更为详尽的分析。 2 2 6 静态电流 静态电流是指输入与输出电流之差，它反映了l d o 内部电路的功耗。静态 电流主要由偏置电路、误差放大器、反馈分压电阻等消耗的电流组成。对于单一 模式的l d o ，静态电流即是负载电流为零时电路消耗的电流。 l d o 的转换效率表征电源控制模块的能量转换能力，如式2 7 所示 复口人学硕 ：论文一片i ：高速响应低胝差线性稳j - k , 乜路的铆f 究，j 设汁 卵：生：垡兰幺：堡幺( 2 7 ) i p mv m l l nv mi 。l 七l ， 其中p 叭、v 。小i o 。分别为输出功率、电压、电流，p i n 、v m 、i i 。分别为输入 功率、电压、电流，i 。为l d o 的静态电流。 在电源电压恒定时，输出电压亦保持不变，l d o 的转换效率直接由输出电 流与静态电流决定。在负载电流较大时，可以近似忽略静态电流，则效率只与输 入输出压差有关；在负载电流降到很低，直至电路进入待命状态，l d o 自身消 耗的静态电流便成为系统功耗的重要影响因素。 2 2 7 电源抑制比 l d o 具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比( p s r r ) ，它能够为诸如射 频( r f ) 接收器和发送器、压控振荡器( v c o ) 和音频放人器等对噪声敏感的 模拟电路的供电提供低噪声、高电源纹波抑制比的电源电压。在某些对噪声要求 高的场合，l d o 的电源抑制比和输出噪声是恒量其性能的重要指标1 5 儿6 。 电源抑制比是指输出电压对输入电压纹波的抑制能力。电源抑制比不同于线 性调整率，它反映的是l d o 对输入信号变化抑制的交流特性，而线性调整率反 映的是对输入信号变化抑制的直流特性。因此电源抑制比又可以定义为输出结点 到输入结点的交流增益。 l d o 需要增加外部输入和输出电容器。利用较低e s r 的大电容器一般可以 全面提高电源抑制比、噪声以及瞬态性能。在高频范围内，大电容器可以提供对 地的交流低阻抗通路，因此一般在一定频率范围内会提高电源抑制比。图2 5 为 输出电容的容值对电源抑制比的影响。 p o w e r - s u p p r yr e j e c t i o nr a t i ov sf r e q u e n c y j | | j | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | ， 。 ；io = 5 0 m ac b p ：o o l u g - _ 富：! 燃 嘞钨 _ k 、 。， ， b 。 婚 霆；曼m赫，一 ， l ii i i 露 l o u t 2 l 山 8 f l 鬃 复口人学硕，l ：i t k 义一片 ：高速响应低压羞线性稳压l 乜路的研究与设计 结构，假设可以忽略电源纹波对参考电压的影响，由电源纹波引起的输出电压小 信号波动可表示为： = 如+ 4 p ( 一) ( 2 8 ) 其中d 是输出到电源的增益v 。u 。d d ，a l 是误差放大器的开环增益，其余 参数定义如前所述。 输出电压纹波还可以表示为【7 j ： 小c 等+ 去。方屹 亿9 ， 其中a p l 是功率管栅极到电源的增益v g 砌。从上式中可以得到，增大运 放增益a l 可以提高电源抑制性能，并且如果条件允许，减小增益因子l p 也可以 达到同样的效果。可以看到，当a p , 等于1 时( 意味着功率管栅电压v g 跟随源 极电压变化) ，等式右边第一项为零，也可提高电源抑制比。 2 2 8 输出噪声 在对噪声敏感的应用场合，l d o 的输出噪声是恒量其性能的一项重要参数。 不同于其他电路的输入噪声性能，作为电源应用的供电电路的输出噪声直接影响 级联电路的性能。 在关心的频带范围内( 通常l k h z 至1 0 0 k h z ) 对l d o 的噪声功率谱密度函 数进行积分，所得到的总输出噪声由电路中的主要噪声源贡献，包括电阻热噪声、 参考电压的等效噪声以及运放的等效输入噪声等。 包含等效噪声源模型的l d o 如图2 6 所示。 v d d v s s 图2 6 包含噪声源的l d o 由电阻反馈网络产生的噪声吃可表示为式2 1 0 ，其中嘿用为电阻r 1 的噪 l o 复口大学硕士论文一片上高速响应低乐羞线性稳堰电路的研究1 j 设计 声功率，砰凡：为电阻r 2 的噪声功率f 8 1 。 嵋= v 2 m + ( 号) 2 嚏斤： ( 2 1 0 ) 在l d o 输入端所看到的总噪声功率吆可表示为式2 11 ，其中嘭拥为运放的 等效输入噪声，嘭粥为带隙基准源的输出噪声。 吆= ( 去圪加) 2 + ( 彳1 圪嬲) 2 ( 2 1 1 ) 5 一 u 一 则总共的积分噪声吁。可表示为 堤 嘭：- - f ( 吆峨) d f 一 ，1 ( 2 1 2 ) ， = z 吃- “列r 12 n 2 一一( 万1 圪一“缸阿 这里1 1 3 为l d o 的闭环增益。有两种方法可以减小输出噪声巧。：其一，增 加运放第一级输入对管的面积及电流以减小吃；其二，减小电阻r 1 、r 2 的阻 值以减小瑶。减小反馈电阻会增加电路功耗，在s o c 应用中，当多个l d o 并 联应用时，增加的功耗无疑会成为严重的问题。 从式2 1 2 中可以看出，改善输出噪声可以通过减小l d o 的环路增益1 d ， 或消除其他噪声成份米达到。图2 7 中介绍了一种改进l d o 噪声特性的两级结 构。前置调整( p r e r e g u l a t o r ) 部分由具有电平移位功能的参考电压驱动电路构 成，它的输出信号经过一阶r c 低通滤波电路。带隙基准源的电压通常是1 2 v 左右，因此需要经过前置调整的电平移位功能调整为所需要的电压。功率驱动器 ( p o w e rd r i v e r ) 是采用p m o s 管作输出级的跟随器。在这种结构中，l d o 的输 出噪声可以表示为： ，z i，i v n 2 _ 2 - - 乒噬加+ q 志眵一2 】 ( 2 1 3 ) 这里嘭加为功率驱动器自身的输入噪声，砰肌为前置调整器的输出噪 声，r 、c 分别为一阶滤波器的电阻、电容。如果低通滤波器的截止频率远 低于l d o 噪声频带的起始频率f 1 ，式2 1 2 中的第二项可以被滤掉，因此输 出噪声可简化为： ，兰 曙2 = f ( 嘭加渺 ( 2 1 4 ) 了l 与2 1 2 式相比，噪声成份只包含功率驱动器的输入噪声。并且，输入 噪声不包含任何增益成份1 伊。显而易见，增益因子1 d 越大( 即l d o 输出 复口人学硕l j 论文一片卜高速响心低压差线性稳胝哇三路的研究与设计 电压与参考电压的比例越大) ，噪声性能越差。 图2 7 减小输出噪声的l d o 2 3 线性稳压器的分类 2 3 1 常见结构 按输出功率管类型，l d o 可以分为以下三类。图2 8 ( a ) 所示功率管为p m o s 类型的线性稳压器结构。系统的环路增益随着频率升高而下降，闭环回路的输出 阻抗相应随之变高。通常在稳压器的输出端连接一个大电容，它在高频时提供一 个低输出阻抗，并且使环路产生一个低频极点。由于功率管的栅极具有大寄生电 容，因此环路在功率管的栅极产生另外一个低频极点。两个低频极点的同时存在 导致环路存在稳定性问题。 图2 8 ( b ) 所示功率管为n m o s 类型的稳压器结构。由于输出级的源极跟随器 结构在输出端提供一个低阻抗，相比功率管为p m o s 的稳压器结构，这种结构 几乎不存在稳定性问题，因此输出电容的大小不受限制，甚至可以完全不用输出 电容器。在线性稳压器中采用n 型功率管，可以大大地减少输出极点补偿对负 载电容的依赖，即稳压器不再需要大输出电容来达到稳定的目的。这种结构的缺 点是输出电压比电源电压至少低一个栅源电压的大小，这意味着不能实现低压 差，具有较低的转换效率，严重限制了它的应用。 图2 8 ( c ) 所示的第三种类型稳压器不包括反馈环路，采用升压电荷泵驱动 n m o s 功率管的栅极。由于栅极电位可以超过电源电压，因而这种结构解决了 第二种类型的稳压器压差受限的问题，可以达到较低的输入输出压差。然而系统 不依赖反馈环路的结构大大减小了输出电压的精度，并且高于电源电压的应用会 带来潜在的可靠性问题。 复旦人学硕士论文一片上高速响应低压筹线性稳压电路的研究1 j 发计 v d dv d d v d d i 助 图2 8 常见的l d o 类型 图2 8 ( a ) q i 线性稳压器工作原理如下：系统通过控制栅极电位来调节输出电 流。当l d o 稳压器处于“低压差”范围内时，通路组件功率管进入线性区而成 为“三极管”，不再夹断。在这一区间内，该功率管提供的电流正比于驱动电压 ( v g s v t ) ，其中v t 为m o s 管的阈值( 开启电压) 。当v d s 降低时，必须增加驱 动电压v o s ，以保持输出电流的恒定。随着输入电压的降低，控制电路迫使栅电 位接近地，当最终等于地时，功率管无法提供更大的负载电流。此时运放完全没 有力量去继续推动通路组件，稳压器随之失去调节作用。在此临界状态的输入输 出电压降即为“压差”。 p m o s 类型功率管的l d o 通常需要大输出电容来保证环路的稳定，并且对 输出电容的e s r 范围亦有要求。而e s r 随温度变化而产生波动，不仅难以实现 片上集成，而且难以实现l d o 在不同负载、不同温度下均稳定的要求。 采用共源连接的p m o s 管作为功率管，由于可以获得较大的驱动电压，所 以在面积一定的条件下比n m o s 功率管具有更大的电流驱动能力，并可以得到 较小的电源电压到输出电压之间的压降电压。因此为了得到面积小并且低压差的 片上l d o ，p m o s 相比较n m o s 管有着更广泛的应用。 复日大学硕i ：论文一片i ：高速响廊低压羞线件稳压l 乜路的研究j 设计 2 3 2 性能比较 尽管p m o s 作为功率管更广泛地应用在目前的l d o 中，与之相比，输出功 率管为n m o s 类型的稳压器具有一些典型的特点。 2 3 2 1 功率管n m o s 类型的优点 a ) 稳定性 功率管采用n m o s 的l d o ，它的输出极点通常是l d o 巾的次极点，表达 式如2 1 5 所示： 吒一n m o $ + 玄 p = 二三 。 g ( 2 1 5 ) 而在p 管类型中，输出极点低于n m o s 电路的输出极点，通常作为电路的 主极点存在： e o = 壶 q 1 6 因此对于n 管类型，通常不需要对输出极点进行补偿，这样消除了火输出 电容及e s r 受温度变化影响等限制，有利于实现l d o 的片上集成，提高了电路 的稳定性。 b ) 负载调整 对于典型的l d o ，负载调整率可表示为： r 。：丝生丝 。虬l + ao f l ( 2 1 7 ) 其中r 伽。螂是功率管输出阻抗。n 管类型的l d o 输出级是源跟随器结构， 它的等效输出阻抗远小于p m o s 管的输出阻抗( 小信号阻抗) 。因此对于相同的 环路增益，n 管类型可以提高l d o 的负载调整率。 c ) 迁移率 n m o s 的迁移率是p m o s 的四倍，在相同栅源电压下可以减小功率管的面 积。 2 3 2 2 功率管n m o s 类型的限制 a ) 直流增益 l d o 的环路增益直接影响它的线性调整率，负载调整率等性能。p 管类型 的结构，功率管p m o s 以共源放大器形式作为系统的最后一级，对环路的增益 作出贡献，改善电压调节性能。而对于n 管类型，功率管n m o s 以源极跟随器 形式作为系统的输出级，它的增益小于1 ，对提高环路增益无积极作用。这样， 1 4 复咀人学硕i j 论文一片j ：高速响应低压差线性稳压电路的研究与设计 导致采用相同的误差放大器时n 管类型增益低于前者，影响电压调节能力。 b ) 瞬态响应 为了获得良好的瞬态响应，l d o 应该具有高的带宽、大的输出和旁路电容、 低的e s r 电阻。n 管类型通常不需要大输出电容来保持环路稳定，但过小的输 出电容会严重影响l d o 的瞬态性能，因此需要选择合适的输出电容改善l d o 的瞬态响应。 c ) 栅极驱动电压 在n 管类型中，功率管是源极跟随器结构，输出电压即为源极电压。对于 这种结构，有限的栅源电压制约了l d o 的面积及输出电流。因此，需要一个高 电压驱动功率管栅极，通常高于输入电压。设计中通常采用电荷泵结构实现升压。 使用电荷泵又产生新的问题：引入的开关噪声恶化了电路的噪声性能。有些 设计会在电荷泵后增加线性调节器抑制开关噪声。 2 3 3 功率管的电学特性 对比p m o s 管与n m o s 管的电学特性，空穴的迁移率只是电子的大约四分 之一，对于工作在饱和区的功率管，在相同面积相同驱动电压的情况下p m o s 电阻会比n m o s 大两倍。 有一种耗尽型n m o s 器件，称之为本征管( n a t i v en m o s ) ，它具有近似为 零甚至是负阈值电压，远远低于普通n m o s 。并且本征管的制造工艺与目前半 导体制程相容，不需要额外的成来就可以制成。在双阱工艺中，它的元件结构如 图2 9 所示。 ut , r juu uu n - w e l i lp w e l l 、。一一 l k - 图2 9 元件剖面结构图 在双阱工艺中，本征管与n m o s 结构的主要不同在于本征管少了p w e l l ，而 p 阱这一道工艺包含离子注入、a n t i p u n c h t h r o g h 离子注入及c h a n n e l 离子注入。 一般的元件利用p 阱这道工序来调整元件的阂值电压，然而由于本征管是直接 制造在p 衬底上，所以元件的临界电压很低。并且因为少了这三步离子注入，使 得本征管具有较高的电子迁移掣9 1 。 采用本征管做为功率器件的l d o 既具有n m o s 器件的优点，又可以实现低 输入输出压差，因此更适合于低压差线性稳压器的应用。使用本征管存在一个重 复旦人学硕j ：论文一片卜高速响麻低压差线件稳压电路的研究j 设汁 要的缺点，尽管它的迁移率大于普通n m o s 管的迁移率，但是它的最小沟道长 度是普通n m o s 管的三倍，因此面积远远大于使用普通元件所需面积。在高集 成度i c 中使用本征管会浪费宝贵的芯片面积，因此尽管它的这些优点，在电路 中使用本征管要折衷考虑。 表2 1 功率管电学参数 p m o sn m o sn n m o s 最小沟道长度 1 8 v 1 5 01 5 04 5 0 ( n m ) 8 6 63 4 06 l o 迁移率 1 8 v ( v c m 2 ) t o x 1 8 v ( a m ) 3 7 43 8 73 8 7 阈值电压 i 8 v ( m v ) 3 9 54 0 26 最小沟道长度 3 3 v 2 6 0 3 0 0 1 0 0 0 ( n m ) 迁移率 3 3 v ( g c m 2 ) 9 2 53 5 04 9 4 t o x 3 3 v ( r i m ) 6 6 26 6 56 6 5 功率管面积小大 中 l d o 栅驱动电压普通运放可需经电荷泵高输出范围 以提供升压的运放 l d o 运放的增益局低低 l d o 频率补偿需大c o u t 及不需c o u t不需c o u t e s r 2 4 稳定性分析 为了满足l d o 的稳定性，使其在负载电流的大范围变化的情况下仍能保持 稳定，通常需要采用大的输出电容在输出形成主极点。并且，大输出电容可以降 低由于芯片封装以及p c b 板等寄生电容的影响，该电容通常为微法量级。目前 一般采用钽电容或陶瓷电容作为l d o 的输出电容。利用较低e s r 的大输出电容 器一般可以全面提高电源抑制比( p s r r ) 、噪声以及瞬态性能。陶瓷电容器通常 j 6 复旦人学硕i ：论文一片i ：高速响心低j 卡差线件稳胝l 乜路的聊究。j 设计 是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其 故障模式是短路。陶瓷电容器具有较低的e s r ，大概为1 0 m q 量级。采用陶瓷电 容时，建议使用x 5 r 和x 7 r 电介质材料，这是因为它们具有较好的温度稳定性。 与陶瓷电容相比，钽电容具有较大的e s r ，并且微法量级的钽电容的e s r 通常可达到几欧姆。如图2 1 0 所示，l d o 利用钽电容作为输出电容c o 。由于钽 电容具有欧姆量级的e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) ，其与输出电容一起在 增益带宽之内为l d 0 提供补偿零点，使具有片外电容的l d o 在负载电流变化 的范围内保持稳定。但是同样由于e s r 的影响，在l d o 的负载电流突变时，将 产生较大的输出纹波。为了降低输出电容的e s r 的影响，需要在l d o 的输出增 加较小的旁路电容c b ( 通常是陶瓷电容，其e s r 可以忽略) ，其电容值人约为输 出电容的1 1 0 。图2 1 0 中增加缓冲器的目的为了增加l d o 的瞬态响应的能力， 对传统l d o 的稳定性的影响很小。 图2 1 0 典型l d o 结构示意图 2 4 1 小信号模型分析 为了分析l d o 的频率特性，将电路在a 点处断开，其小信号等效图如图2 1 1 所示。 复口火学硕f ：论文一片l ：高速响应低压差线性稳压电路的研究与设计 g 图2 1 l 小信号模型 将v 时和v 伍分别作为小信号通路的输入输出电压， 堡：么v ：，墨竺! 鱼! 垒孥圣 y 1 1 2 【1 + j q 。2 晶一6 矿j l l + s 足。e 炒lj 开环增益可以表示为 哗- 髟- + q 2 ( 2 1 8 ) z o 为输出点处的等效阻抗，设计l + s 2 g 埘晰，1 + s 如。所确定的极 点的频率在单位增益带宽以外。 根据图2 1 0 ，z o 可以表示为 z o = 郴r 、+ r r 0 敞r e s r + l s c o ) 1 s c , 眨。1 9 ) 和r 位为反馈分压电阻，其值为几十k 到几百k 欧姆，i k 为功率管导通 电阻，其典型值在流经功率管电流较大时仅为几十欧姆，所以尺，l + 足，2 吃， z o 可以简化为 z o = 如( + l s c o ) l l l l s c b ( 2 2 0 ) l d o 的负载电流可等效为理想电流源，z o 又可以简化为 z o = k 状r 嗽+ l l s c o ) l l s c 6 ：生! ! 兰g ：塾! ( 2 2 1 ) s 2 e g 尺脚心+ s g r 脚+ s e ( 心+ ) + l 由于r e s r 典型值仅为几欧姆，所以c 0 如e 则 z 。坐坚型蓝l u s 2 c o c b r e 豫r 血+ s c b r e 豫+ s c o r 彘+ 1 ( 92 2 ) ：丝【! 墅：塾1 1 8 复日人学硕十论文一片l ：高速响脚低压差线性稳压电路的研究与设计 将z o 带入到电压增益传递函数得到最终的传递函数 生：彳v ： l a v 0 + s c o r 脚)髟。 ( 1 + s g ) ( 1 + s c d 心) ( 1 + 哦。) 肜，+ 哆： ( 2 2 3 ) 式2 2 3 中省略了缓冲器输出的等效电阻和功率管的栅电容形成的极点，| a v i 为开环直流增益l m 】。 2 4 2 频率特性分析 根据以上传统l d o 的a c 响应的分析，可以得到传统l d o 主要具有三个极 点和一个零点。分别是主极点p 1 = 1 ( 2 7 r r a , c o ) ，由功率管的等效输出阻抗和输出 电容表征，次极点p 2 = 1 ( 2 7 r e s r c ) ，由e s r 和旁路电容表征，p 3 = l ( 2 7 r 如c m 。) ，由误差放大器的等效输出电容和等效输出阻抗表征。另外零 点z l = 1 2 7 r e s r c o ，由输出电容和其e s r 表征。 根据以上简单的零极点估算模型，并选取典型的参数可以得到传统l d o 的 零极点频响特性图。如图2 1 2 所示。 ai p l i 淋淼一 o k l 呲1 弋3 赢 图2 1 2l d 0 增益曲线 传统l d o 中，其内部误差放大器的等效输出阻抗和等效输出电容形成的极 点位于增益带宽以外。并且由于输出电容和其e s r 形成补偿零点。 p 2 ，p 3 以及z 1 在设计参数选定后，频率相对固定。而p 1 将随l d o 的负载 情况变化而变化。由于功率管的源漏导通阻抗随着流经功率管的电流减小而增 加，因而当负载电流减少时，p 1 的频率减小，根据图2 1 2 所示，l d o 的稳定性 进一步增强。但是当l d o 负载电流最大时，p 1 的频率最高，