（微电子学与固体电子学专业论文）高性能ldo线性稳压器的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息时代的来临，电源管理技术变得越来越重要。在众多的电源管理技术中， l d o 因为其小面积、高电源抑制比、微功耗、低噪声以及外围电路简单等优点，倍受 人们关注。此外，l d o 还具有较好的线性瞬态响应和负载瞬态响应特性，这使得它更 加适用于便携式电子产品中，诸如p d a 、m p 3 播放器、数码相机、无线电话等。但是， 我国的电源管理芯片市场大部分被外国产品占据，因此研究开发具有自主知识产权的 l d o 具有重要的意义。 本文基于c s m c0 5 i x mb i c m o s 工艺，设计了一款新型的输出电压可调的l d o 线 性稳压器，典型的输出电压有1 5 v 、1 6 v 、1 2 5 v 、1 8 5 v 、2 8 5 v 、3 2 v 、3 3 v 。所设 计的l d o 线性稳压器具有较宽的输入电压范围( 2 2 v 5 5 v ) ；极低的漏失电压，当负载 电流为5 0 0 m a 时仅为2 5 0 m v ；超高的电源抑制比和较低的静态电流，典型值低达2 5 衅， 可以进一步延长电池的使用寿命。优异的性能非常适用于苛刻条件下的便携式电子产 品。文中详细介绍了l d o 线性稳压器的电路结构及其工作原理，给出了主要子模块电 路的设计方案。此外，为了保证芯片工作时的安全，还设计了过温保护电路和限流保护 电路。系统的稳定性问题是l d o 线性稳压器设计的一个难点，传统的l d o 依靠外部负 载电容及其等效串联电阻稳定的工作，本设计也不例外。 最后，利用h s p i c e 等e d a 软件对芯片的各个子模块和整体电路进行了仿真验证。 仿真结果表明，各子模块的电气特性参数均达到了设计指标的要求，系统整体性能也比 较优异。所设计l d o 线性稳压器的版图面积为6 3 0 9 i n 6 3 8 9 m 。 关键词：电源管理；l d 0 ；误差放大器；基准源 高性能l d o 线性稳压器的设计 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go ft h ei n f o r m a t i o ne r a ，t h ep o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nn u m e r o u sp o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s ，l d o ( l o wd r o p o u t v o l t a g er e g u l a t o r ) h a sa r o u s e dg r e a t e ra t t e n t i o nb e c a u s eo fi t ss m a l la r e a ，h i g hp s r r ，l o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，l o wn o i s ea n df e wo f f - c h i pc o m p o n e n t s ，e t c m o r e o v e r ，t h et r a n s i e n t r e s p o n s et oi n p u tv o l t a g ea n do u t p u tl o a di sf a s t e r t h e s ea d v a n t a g e sm a k el d o s u i t a b l ef o r p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，f o re x a m p l e ：t h ep d a ，m p 3 ，d ca n dr a d i o t e l e p h o n y 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 ne m e r p r i s e s ，s oi ti s m e a n i n g n lt od e v e l o pl d o w i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y b a s e do nc s m c0 5p a nb i c m o sp r o c e s s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e ll d ow i t hs e v e n t y p i c a lo m p mv o l t a g e ：1 5 v ，1 6 v ，1 2 5 v ，1 8 5 v ，2 8 5 v ，3 2 v ，3 3 v t h el d oh a st h ew i d e i n p u tv o l t a g er a n g e ( 2 2 v n 5 5 v ) ；e x t r e m e l yl o wd r o p o u tv o l t a g e ，w h e nt h el o a dc u r r e n ti s 5 0 0 m a ，t h ed r o p o u tv o l t a g ei so n l y2 5 0 m v ；u l t r a h i g hp s r ra n dl o wq u i e s c e n tc u r r e n t ，i ti s a sl o wa s2 5 衅，f u r t h e rp r o l o n g i n gt h eb a t t e r yl i f e t h e s ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r ei d e a l f o rp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t sw i t hp e r f o r m a n c ea n ds p a c er e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fl d oa r ea n a i y z e da n ds u b b l o c kc i r c u i t sa r eg i v e n i na d d i t i o n ，t h e t h e r m a ls h u t d o w na n dc u r r e n tl i m i ts u b - b l o c kc i r c u i t sa r ed e s i g n e dt om a k et h ee q u i p m e n t w o r kn o r m a l l y t h es y s t e ms t a b i l i t yi so n eo ft h em o s td i f f i c u l ti s s u e si nl d od e s i g n c o n v e n t i o n a l l y ，a l ll d os y s t e m sr e q u i r eo f f - c h i pl o a dc a p a c i t o r sa n di t se q u i v a l e n ts e r i e s r e s i s t a n c e ( e s r ) f o rs t a b i l i t y ，s od o e st h el d o i nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h ew h o l ec h i pa n di t ss u b b l o c kc i r c u i t sh a v eb e e ns i m u l a t e du s i n ge d a s o f t w a r e s ，s u c ha sh s p i c e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es u b b l o c kc i r c u i t sm e e tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h ea r e ao ft h ew h o l el d oc h i pi s 6 3 0 m n x6 3 8 t x m k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ；l d o ；e r r o ra m p l i f i e r ；v o l t a g er e f e r e n c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 导师魏一一车缸 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 进入2 1 世纪以来，半导体市场空前繁荣，尤其是便携式电子产品炙手可热。和以 前相比，目前的便携产品具有更强的多媒体播放功能，而且增加了拍照、蓝牙、g p s 、 上网等功能；在显示方面，则朝高亮度大屏幕方向发展。这些一方面使得人们可以随时 随地的进行通信、工作和娱乐活动，另一方面又对电源管理技术提出了苛刻的要求。因 此能否实现高效、智能的电源管理，将会直接影响到产品的系统架构、特性组合以及元 器件的选择等。 作为电子产品中不可缺少的器件之一，电源管理器件与整个电子工业的发展休戚相 关。本章首先简要介绍了电源管理i c 的发展概况及分类；然后重点介绍了l d o 线性稳 压器的在便携式电子产品中的应用，并分析了l d o 的发展趋势；最后对本论文的主要 工作和章节安排作了简要概括。 1 1电源管理ic 的发展概况 电源及电源管理i c 市场在过去几年中得到了快速的发展。2 0 0 6 年，全球电源管理 产品销售额达到2 4 9 亿美元，而在中国市场，受益于3 c ( 计算机、通信以及消费电子) 领域电子整机产品的大幅度增产，电源管理i c 市场更是加速成长。预计2 0 0 6 2 0 0 9 年， 我国电源管理i c 市场的年复合增长率将高达3 0 8 ，到2 0 0 9 年，我国电源管理i c 市 场规模将达到5 8 2 6 亿元【1 1 。电源管理i c 市场的发展形势非常喜人，但占据该巨大市场 的却是国外厂商。其中德州仪器( n ) 是最大的供应商，美国国家半导体( n s ) 、飞兆 ( f a i r c h i l d ) 、意法半导体( s t ) 和凌特( l i n e a r ) 分列市场排名的第二至第五，此外，安森 美、美信( m a x i m ) 、国际整流器( i r ) 、i n t e r s i l 和p o w e ri n e g r a t i o n 也是目前市场中的重 要厂商。以上十大厂商几乎占据国内市场份额的5 0 1 2 1 ，国内的设计公司由于起步较晚， 技术和市场都相对落后。因此，从国外大公司夺回应有的市场份额并且不断提升产品的 技术含量将是国内设计公司面临的重要挑战。 市场调研公司i s u p p l i 的分析报告指出，便携设备的发展，如消费类电子产品的不 断小型化、可移动和功能的多样化，对电源管理产品提出了更高的要求。视频、音频、 影像、控制、电信和安全领域的应用，为电源管理产品带来了更大的市场空间。半导体 厂商要想在新一轮的市场竞争中保持领先，必须在技术和性能上不断发展提升。 从以上的信息中，我们不难看出市场对电源管理i c 的极大需求，同时我们也可以 感受到该领域中存在的激烈竞争。 高性能l d o 线性稳压器的设计 当今，电子技术日新月异，电源技术也得到了很大的发展，它从过去简单的电子电 路变为今日的具有较强功能的复杂模块。电压稳定的方式，由传统的线性稳定发展到今 天的非线性稳定，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去依附其它电子设备的 状态，逐渐演变为一个独立的学科分支【3 1 。 电源管理i c 依据不同的标准，有不同的分类方法。 ( 1 ) 根据控制信号类型的不同，可以分为模拟电源、数字电源和混合电源。 模拟电源发展最早，技术也比较成熟，对于无需和外部通信的场合，模拟电源可以 提供最经济有效的电源管理解决方案。 数字电源的特点是灵活性高，能通过编程为不同的用户提供智能化的解决方案，但 数字电源的成本比较高，而且性能也不如模拟电源优越。 混合电源是近期才发展起来的电源管理技术，它综合了模拟电源和数字电源的优 点。目前已有商家推出了混合电源i c 产品( 如z i l k e rl a b s 公司) ，但成本较高。 ( 2 ) 根据电路结构的不同，又可分为以下几类【4 l ： a c d c 离线变换器：内含低压控制电路和高压开关晶体管。 功率因数校正( p f c ) 预调器：提供具有功率因数校正功能的电源输入电路。 脉宽调n 脉频调制( p w m p f m ) 控制器：用于驱动外部开关。p w m p f m 控制 器与开关变化器的区别是：控制器驱动外部开关( f e t ) ，而变换器将开关集成到内部。 d c d c 变换器：包括升压降压变换器，以及电荷泵。 线性变换器：包括正向和负向变换器，以及低压降l d o 变换器。 电池充电管理i c ：包括电池充电、保护以及电量显示i c ，以及可进行电池数 据通讯的“智能 电池i c 。 与其它电源相比，线性稳压电源具有以下具有一些突出的优点：在输出电流较小 时，线性稳压器的成本较低；线性稳压器的封装非常适合应用在便携电子设备中，如 无线电话、掌上电脑等；外围电路简单，只需要2 以个很小的电容即可构成整个电源 方案：超低的输出电压噪声，非常适用于对噪声敏感的音频电路的供电电路，同时没 有开关导通关断时大电流变化所引发的电磁干扰( e m i ) ，所以便于设计。正因为如此， 线性稳压器被广泛应用于手机等便携式电子设备中。例如，一部手机就可能含多达1 0 个l d o 作为内部各个数字和模拟模块的电源，因而l d o 的需求量很大。 1 2 t _ d 0 线性稳压器概述 l d o ( l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r ) 线性稳压器，也称为低压差线性稳压器，简称 l d o ，是一个自功耗很低的微型片上系统，它通常由具有极低导通电阻r 嘣n 、的 大连理工大学硕士学位论文 m o s f e t 调整元件、基准电压、误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在同一个芯 片上而成。因为它在调整元件上的压降非常低，所以改善了传统的线性稳压器效率低的 缺点。 l d o 出现的很早，经过几年的快速发展，衍生出一系列的产品，在移动电话、p d a 、 数码相机、m p 3 、m p 4 、机顶盒等须低电压供电的电子设备中均得到了广泛的应用。 虽然l d o 的结构和工作原理都不复杂，但要做一个性能优越的产品也具有一定的困难。 因此对l d o 进行深入的研究具有很重要的意义。 依据不同的标准，我们同样对l d o 进行分类。 ( 1 ) 根据静态功耗的大小，可将l d o 分为全向功耗( o m n i p o w e r ) 、微功耗 ( m i c r o p o w e r ) 和毫微功耗( n a n o p o w e r ) 三种产品。 表1 1i _ d o 按静态电流分类 t a b 1 1l d oi sc l a s s i f i e db yq u i e s c e n tc u r r e n t ( 2 ) 根据导通元件( p a s se l e m e n t ) 的不同，可将l d o 分为普通线性稳压器、低压差 线性稳压器和超低压差线性稳压器【5 1 。 表1 2l d o 按导通元件分类 t a b 1 2l d oi sc l a s s i f i e db yp a s se l e m e n t 以上表格中各参数的具体含义将在下章中详细介绍。 目前，新型的l d o 有以下几个发展趋势： 超低功率：可以延长电池的使用寿命 高性能l d o 线性稳压器的设计 超低压差：可以提高稳压器的工作效率 超低噪声：一般控制在3 0 v 二 小型或超小型封装：s o t 2 3 5 ，s c 7 0 5 等 小输出电容或无输出电容：使p c b 板尺寸大大缩小，节约空间 多功能化：过热保护、限流保护、使能控制等 1 3 本文的工作 本文基于c s m c0 5 “mb i c m o s 工艺，利用c a d e n c e 、h s p i c e 和p s p i c e 等e d a 软 件，设计了一款高性能的l d o 线性稳压器。该l d o 具有较低的漏失电压( d r o p o u t v o l t a g e ) 、较高的电源抑制比( p s r r ) 和超低的静态电流，典型的输出电流为5 0 0 m a ， 非常适用于具有苛刻要求的便携式射频与无线设备中。 此外，我们所设计的l d o 还具有过温保护、限流保护和软启动等功能。 本论文共分五章，各部分安排如下： 第1 章，在查阅文献资料的基础上，综述了电源管理i c 的发展概况，并对l d o 线 性稳压器作了简要的介绍，从而对我们的研究工作有一个总体的概念。 第2 章，分析了l d o 线性稳压器的基本工作原理，并对其主要的性能参数作了简 要的介绍。最后重点讨论了l d o 的稳定性( 各种频率补偿技术) 及其输出精度。 第3 章，根据所给定的各种设计指标，设计出一款高性能的输出可调的l d o 线性 稳压器，对该稳压器的关键子模块进行了具体的分析，且给出了仿真结果。 第4 章，给出了所设计的l d o 线性稳压器的整体仿真结果，并列出了仿真的电气 特性参数。 第5 章，简要介绍了集成电路版图设计的基本流程，重点介绍b i c m o s 工艺技术， 最后给出了l d o 线性稳压器的整体版图。 大连理工大学硕士学位论文 2 l d o 的基本原理及相关性能分析 随着便携式电子产品的不断普及，具有快速响应、高功率密度的低成本线性稳压 电源的开发越来越活跃。由于便携式产品普遍采用电池供电的方式，为了提高电池的 使用寿命以及延长电池的待机时间，传统的线性稳压器( 如7 8 0 0 系列三端稳压器) 和开 关稳压器均无法满足该要求：此外，伴随着系统主电源的不断降低，对新型稳压电源 的需求更加强烈。l d o ( l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r ) 线性稳压器作为一种微功耗的 片上系统【6 】，由于具有结构简单、成本低廉、低功耗、小封装和外围器件少等优点，日 益被人们所关注。 本章首先分析了l d o 线性稳压器的基本工作原理，然后简要介绍了它的几个典型 设计指标。在此基础上，我们重点分析了l d o 系统几种关键性能的实现，包括系统的 稳定性分析和输出精度影响等。 2 1 l d o 的基本工作原理 l d o 线性稳压器属于恒压源，它能够随着负载电阻的改变而改变自身内阻，从而 输出一个恒定的电压值【7 1 。如图2 1 所示： 图2 1 基本恒压源结构 f i g 2 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo fc o n s t a n tv o l t a g es o u i c e 恒压源的输出电压为： _ v 玳瓦r + l r ：屯。忑1 ( 2 1 ) r l 可见要使输出电压为一恒定值，即v o w = c o n s t ，上式中r 必为一常数。可是通 常负载是变化的，因此，只有当 1 ，则： v o 啊一导= 警 ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 知，l d o 线性稳压器的输出电压仅取决于反馈系数和基准电压。 2 2 l d o 的主要性能参数 l d o 线性稳压器的主要性能参数有：漏失电压( d r o p o u tv o l t a g e ) 、静态电流、转换 效率、负载调整率、线性调整率、负载瞬态响应以及电源抑制比等。下面我们一一作详 细介绍。 ( 1 ) 漏失电压屹一， l d o 线性稳压器只有在输入电压大于输出电压一定数值时，系统才具有保证输出 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。 漏失电压圪一时就定义为该临界值时输入电压与输出电压之间的差值。如图2 8 所示。 大连理工大学硕士学位论文 v 曲td r o p o u t o 图2 8l d o 的输入输出特性 f i g 2 8 i n - o u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fi _ d o v d 删= ，、，o l r r 。 ( 2 1 5 ) 在临界值，p m o s 调整管工作于线性区，可等效为串联电阻，如式( 2 1 2 ) 。若 负载电流为l w ，则l d o 线性稳压器的漏失电压又可表示为： v d m u l = r o s i o u t ( 2 1 6 ) 实际应用中我们应尽可能降低p m o s 调整管临界工作点时的导通电阻。由表1 2 我 们也可以知道漏失电压与导通器件的类型也有很大的关系。 ( 2 ) 静态电流l 静态电流也叫地电流，是整个电路从电源吸取的电流，通常为输入输出电流之差， 它反映了l d o 内部电路消耗的功率。对于设计来说，总是希望静态电流越小越好，静 态电流越小，l d o 线性稳压器的效率越高。 i q = i 甜- i o u t ( 2 1 7 ) 静态电流由偏置电流( 电压基准、反馈电阻和误差放大器) 和调整管的驱动电流组 成。其大小主要受调整管、电路的拓扑结构和环境温度等因素的影响。 正常工作时，p m o s 调整管工作在饱和区，漏源之间的电流为： i d = - i 1 弘p c 。x 了w 眠s - v 豫) 2 ( 2 1 8 ) 可见，输出电流仅与过驱动电压y ( a - ) 有关。 ( 3 ) 转换效率叩 l d o 线性稳压器的转换效率定义为： 高性能l d o 线性稳压器的设计 q ：k ；u t l o u t 一鳖! 皿一 ( 2 1 9 ) - i i n( i 。+ i o u t ) 若l d o 线性稳压器的输出电流易w 较大，则静态电流可以忽略不计( 常为衅量 级) 。则乇盱= ，效率可近似为： q 等2 半斗导 亿2 。， j p m o s 调整管承受的压降圪卿埘与管内电流乇淑的乘积称为损耗功率，这部分以热 量形式释放。 ( 4 ) 负载调整率 随着负载电流的增大，l d o 线性稳压器的输出电压w 逐渐降低。负载调整率反 映了输出电压随负载电流变化而变化的灵敏度，越小说明负载变化对输出电压影响越 小，l d o 的稳压能力越强。 假设负载电流变化为咿，输出电压变化为四，则负载调整率定义为： s i = a v o o - r 1 0 0 1 一砒(221)a l v 附。w m 假设误差放大器的开环差模增益为a n , ，功率调整管的跨导为。当误差放大器的 同相输入端变化时， 1 0 = v f b a v d g m ( 2 2 2 ) 。纛 ( 2 - 2 3 ) 将式( 2 2 2 ) 和( 2 9 3 ) 代入到( 2 2 1 ) 中，可得负载调整率为： ， 铲去( 学) ( 2 2 4 ) ( 5 ) 线性调整率 当输入电压发生变化时，输出电压沂也会随之发生变化。线性调整率反映了l d o 线性稳压器输入电压对输出电压的影响程度，输入电压变化引起的输出电压变化越小， 输出电压越稳定，l d o 的性能越好。 假设输入电压变化为，输出电压变化为w ，则线性调整率定义为： s v 2 哿x l o o k ( 2 2 5 ) 若l d o 外接负载r ，其与反馈电阻墨+ r 2 并联，则等效电阻为： 大连理工大学硕士学位论文 r = r l i i ( r l + r 2 ) ( 2 2 6 ) 假设误差放大器的开环差模增益为锄，功率调整管的跨导为，以r 舾表示输入 端到输出端的等效电阻，则输入电压发生变化后，l d o 的输出可表示为： v 0 去- v o 叮2 丧厶- o u t r 钓 丧- g m a v d ( v f s - v 旺r ) ( 2 2 7 ) 篙导+ g m 峰竺型 r l + r 2 + g m a v e , r 明r 2 通常认为r i + r 2 + g m a v d r 如r l r i + r 2 ，故忽略r l + r 2 项，可得： 砜瓦r 1 丽+ r 2 + 警v r e f ( 2 2 8 ) 式( 2 2 8 ) 两边对求导，得线性调整率为： s 、，- ! 垦! 坚2 一( 2 2 9 ) r d s + r lg m a v o r 2 ( 6 ) 负载瞬态响应 负载瞬态响应是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 。及其 寄生电阻r e s r 和旁路电容c b 的函数。旁路电容c 。通常与电阻r 。+ r z 并联，见图2 1 0 ， 其作用是提高负载的瞬态响应能力。最大瞬态电压变化k ，嗍为： 。2 鬻t 1 卜r ( 2 3 0 ) 式中为寄生电阻上的压降，乇w ，m 联为最大负载电流，弛与l d o 的闭环 带宽有关。 ( 7 ) 电源抑制比( p s r r ) 电源抑制比 1 4 1 ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 是反映l d o 线性稳压器的输出电压对 输入电压纹波抑制能力的一个交流参数。一般输入和输出的频率是一样的，电源抑制比 的值越大，说明l d o 的纹波抑制能力越强，也就是输入对输出的影响很小。 电源抑制比的定义为： p s 腓2 。l g ( a v v r n d p p i p i c ) ( 2 3 1 ) 高性能l d o 线性稳压器的设计 l d o 的电源抑制比p s r r 主要与基准电压源和误差放大器的p s r r 有关。 2 3 l d o 的关键性能设计 2 3 1 l d o 系统的稳定性分析 我们知道，l d o 线性稳压器属于负反馈系统。因此，一个性能优越的l d o 必须首 先解决系统的稳定性问题，以免产生振荡。本小节在分析系统稳定性判据的基础上，重 点讨论了l d o 的频率响应，并简要介绍了几种频率补偿的方法。 ( 1 ) 稳定性判据 所谓反馈，就是电子系统中把输出回路的电量( 电压或电流) 馈送到输入回路的过程 【8 l 【1 5 】。如果反馈信号与原始信号的极性相反，则称为负反馈( n e g a t i v ef e e d b a c k ) ，反之 则成为正反馈( p o s i t i v ef e e d b a c k ) 。负反馈可以抑制输出信号的变化，从而使系统的输 出更加稳定。 x ( s 图2 9 基本的负反馈系统 f i g 2 9 b a s i cn e g a t i v e f e e d b a c ks y s t e m ( s ) 图2 9 是一个基本的负反馈系统。假定图中的f 为常数。该闭环传输函数可写成： 洳= 蒜 ( 2 3 2 ) 显然，如果f a ( s = j m ) = 一1 ，则“增益 趋于无穷大，系统可以放大自身的噪声直 到它最终开始振荡，振荡频率为嵋。此条件可表示为： i f a , f j w l ) l - 1 ( 2 3 3 ) l f a ( j w 。) = 一1 8 0 0 ( 2 3 4 ) j 式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 4 ) 即为“巴克豪森判据 ，它定义了系统在某频率的振荡条件。 当i 醉为嵋时，负反馈本身产生1 8 0 0 的相位偏移：环路的总相移为3 6 0 0 ，故振荡。 大连理工大学硕士学位论文 相位偏移( p h a s es h i f t ) 就是反馈信号经过整个环路后的相位改变，理想的负反馈系 统相位偏移为1 8 0 0 。相位裕度( p h a s em a r g i n ) 是在环路增益等于0 d b 时，反馈信号总的 相位偏移与1 8 0 0 的差值，即： p m 一_ f a ( w = w 1 ) - ( 一1 8 0 0 ) - - _ _ l f a ( w - w 1 ) + 1 8 0 0 ( 2 3 5 ) 通常一个稳定的环路其相位裕度p m = 6 0 0 时最合适。 在这里我们给出两个概念“增益交点和“相位交点 ，它们分别为系统的环路增 益的幅值等于l 和使环路增益的相位等于1 8 0 。的两个频率点。在稳定系统中，增益交 点必定发生在相位交点之前。 ( 2 ) l d o 系统的频率响应 频率响应是评价l d o 稳定性的重要指标。要分析频率响应，首先要得到系统的开 环传输函数。为此，我们将闭环系统从a 点打开，如图2 1 0 所示。p m o s 调整管的小 信号模型如图2 1 1 所示。下面我们分析l d o 开环系统的增益和相位特性【1 6 】f 1 7 1 。 图2 1 0l d o 系统开环环路 f i g 2 1 0 l d o o p e n l o o ps y s t e m 高性能l d o 线性稳压器的设计 图2 1 1p m o s 调整管的小信号模型 f i g 2 1 1 p m o ss m a l l - s i g n a lm o d e l 令误差放大器的输出阻抗为屯，p m o s 调整管的栅极寄生电容为c 胛，负载电容q 的等效串联电阻( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) 为，旁路电容为c 6 ，误差放大器和调 整管的跨导分别为g 。和g 聊。则l d o 系统的开环增益为： a 、产显：g l r o a g m p z o l( 2 3 6 ) v r i + s r o a c p 盯r 1 + r 2 、。 式中，z d 是l d o 系统的等效输出阻抗。可表示为： z o = r , , p i i 等 i l 击。 ( 2 3 7 ) 墨：p 是从圪叮端向l d o 系统内部看进去所看到的阻抗，可表示为： r 。2 p = r d s i i ( r ，+ r ：) ( 2 3 8 ) 由于r d s c b ，则我们将( 2 3 8 ) 式代入到( 2 3 7 ) 式，并简化得： z 。一面瓦鬲r j d s ( 百i + s r 面m s r c 瓦l ) 丽 ( 2 3 9 ) 由此我们进一步可以计算出l d o 开环系统的传输函数，从而得到整个系统的零极 点，如下： p ：j 二一。l ( 2 4 0 ) 1 2 p ( r d s + r 既r ) c l2 p r d s c l 、 p 。j l 一 ( 2 4 】) 2 p r o a c 们， 大连理工大学硕士学位论文 e = 二r - 一一二二 ( 2 4 2 ) 2 p ( r d s + r 酷r ) c b2 p r 鹳r c b 萨焘 q 4 3 显然，l d o 系统存在三个极点一个零点。其中主极点只是整个系统的输出极点， 由于输出电容c ，很大，所以它最靠近原点；次极点只是p m o s 调整管的寄生电容与误 差放大器的输出阻抗产生的极点，通常放大器的输出阻抗较大，故该极点处于低频；极 点只主要由旁路电容产生，因为旁路电容比输出电容和调整管寄生电容小很多，所以该 极点处在高频；零点z e 蜘由输出电容及其等效串联电阻产生。由于每个极点都会产生与 频率相关的相位偏移，随着频率的增加，相位从0 0 逐渐增2 n 蛰j - 9 0 0 。零点的作用与极点 的作用刚好相反。而一个稳定的反馈环路其频率响应必须满足：在单位增益频率( u n i t y g a i nf r e q u e n c y ) 之前，相位偏移小于1 8 0 0 。因此三极点一零点系统可能是不稳定的。所 以在设计l d 0 线性稳压器时，我们需要利用频率补偿技术，适当的安排系统的零极点位 置，以使系统稳定。 ( 3 ) l d 0 系统的频率补偿技术 所谓频率补偿，就是在基本放大电路中和在反馈网络中，增加一些元件( 如r 、c 等) ， 以改变反馈放大电路的开环频率响应，使得在保证一定的增益裕度或相位裕度的前提下 获得较大的环路增益【1 5 1 。 传统的e s r 外部零点补偿 对于大多数l d o 线性稳压器而言，通常利用芯片外部负载电容的等效串联电阻 ( e s r ) 产生一个零点的补偿技术【1 8 】【1 9 】，如图2 1 2 ，以使l d o 系统稳定。该方法简单、 易实现。 圭 ? 岛 l 上c l t l 图2 1 2 负载电容的等效图 f i g 2 1 2e q u i v a l e n ts t r u c t u r eo ft h el o a dc a p a c i t o r l i上一ll 高性能l d o 线性稳压器的设计 通过增加该外部零点z 艘，从而抵消掉一个极点，使得在单位增益频率u g f 内，相 位偏移小于1 8 0 0 ，那么系统稳定，如图所示。 星 昌 亩 、 - 日x 湖 jp。,a-3 、 柏d 强 k 乞 抛埘m p 3 一 f r e q u e n c y r i ( i 一1 3 ) ， 该结构的传输函数为： 高性能l d o 线性稳压器的设计 必。生+ 生+ 生+ 生 ( 2 4 4 ) v g ( s )1 + e1 + p 2i + p 31 + p 4 式中a ；= g m p l r l ( i = 1 4 ) ，e = r i c i ( i 一1 4 ) ，在这里g 叫是管子只( i = 1 - 4 ) 的跨导， r 是输出端所接的负载电阻。如果g 唧； v a s d v t d ，所 以该耗尽管工作在饱和区，其漏极电流为： i d s ，o = 扣。x ( 罟) 。( v o 印) 2 大连理工大学硕士学位论文 增强型n m o s 霄的栅极与漏极相连，则v d $ l e 2 v g g ，e v g s e 。v 毛丑，则该增强管亦工作 在饱和区，其漏极电流为： i 旷扣。x 吼( v g s ，e ) 2 ( 3 1 2 ) 显然有： i d $ , d = i d s 卫 ( 3 1 3 ) v g s d = 0 ( 3 1 4 ) v g s 正2 ( 3 1 5 ) 联立式( 3 1 1 ) ( 3 1 5 ) ，可得： 扣。x 吼( ) 2 2 扣。x ( 跏。) 2 ( 3 1 6 ) 吼 ( 部“跏) 2 2 ( 跏。) 2 所以基准电压圪，f 为： 。j 手 ( 3 1 8 ) 由于增强型n m o s 的阈值电压。大于零，而耗尽型n m o s 的阈值电压，。小于 零。所以上式中去掉绝对值后。前为负号。标准c m o s 工艺中，增强型n m o s 和耗 尽型n m o s 的温度特性可做的十分接近( 容易控制) 。因此，我们通过适当调节增强管 和耗尽管的宽长比，使得基准电压与它们阈值电压的差值成比例。式( 3 1 8 ) 与式( 3 1 0 ) 相符合。 我们所设计的基准电压电路( 图3 5 ) 显然包括两级单元电路( 图3 6 ) 。第一级是耗尽 管n 3 0 和增强管n 3 6 的串联，它们已经可以产生一个基准电压；第二级是耗尽管n 2 9 和增强管n 2 8 的串联，它们用前级已经产生的基准电压作为输入电压，从而输出性能更 加稳定的基准电压，例如：温度特性更好、进一步提高电源抑制比等。 图3 5 中增强型n m o s 管n 1 5 3 的漏源相连，在电路中具有电容的功能。它的一端 接基准输出电压，另一端接地，可以起到稳定基准输出电压的作用：此外，该电容还会 抑制基准噪声，电容值越大，基准噪声越低，但同时它对l d o 系统输出电压的上升速 度也会产生影响，电容值越大，输出电压上升速度越慢。实际设计过程中，我们应该在 上述参数中进行折衷。 高性能l d o 线性稳压器的设计 3 3 2 电路的仿真验证 为了验证所设计的基准电压电路的性能，我们用h s p i c e 对该电路进行了仿真。 ( 1 ) 基准电压的温度特性 i h 睢 峨 t 呲 j 晒 t ，e h ! 瞒 稿 舶 弘 椎 t m e t r t t 冒t ( 1 i t ) 帆cc ) 图3 7 基准电压的温度特性 f i g ，3 7t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co f t h ev o l t a g er e f e r e n c e 图3 7 所示为典型工作情况下( v = 5 v ) 基准输出电压与温度的关系，测量范围是 4 0 - 2 0 0 。从仿真结果可知，当温度从4 0 c 变化到2 0 09 c ，基准输出电压从0 5 9 1 m v 变化到0 6 0 8 m v ，则该基准电压电路的温度系数可通过下式计算得到： t = 垒 1 0 6 _ 堡盟1 0 6 7 0 8 p p m * c ( 3 1 9 ) 一 2 4 0 0 c ( 2 ) 基准电压的电压特性 ni23s t v m zo i i ) c l 口s ) 图3 8 基准电压的电压特性 f i g 3 8v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i co f t h ev o l t a g er e f e r e n c e 啦 蛳 舡 灿 胁。 o ij五t 大连理工大学硕士学位论文 图3 8 显示了基准电压随电源电压的变化情况。从仿真结果可知，在电源电压为 0 7 6 3 v 时，基准输出电压稳定在0 5 9 8 v 。之后电源电压一直升至7 v ，基准均可以正常 工作，满足设计指标的要求。 ( 3 ) 基准电压的启动特性 龇骶溉 图3 9 基准电压的启动特性 f i g 3 9s t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev o l t a g er e f e r e n c e 由图3 9 知，基准电压电路具有快速的启动能力。 3 4 偏置电压模块的设计与仿真 3 4 。1电路的具体结构设计 偏置电压电路主要为误差放大器、限流保护电路和过温保护电路提供偏置电压信 号，进而为各个模块提供偏置电流，使其稳定在合适的工作状态。本l d o 芯片的偏置 电压电路采用传统的电路结构，形式简单，在这里我们只作简要的分析。电路的具体结 构见图3 1 0 。 图中，v r e f 为基准电压模块提供的参考电压，即0 5 9 8 v ，它通过开关管n 3 2 控制 偏置电压电路的工作状态；e n l 为使能控制信号，正常工作时为