（电路与系统专业论文）一种高性能低压差线性稳压器的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着电子信息产业的迅猛发展，各种电子设备必不可少的电源技术便显得越来越重要。 低压差线性稳压器( l d o ) 作为新一代集成电路稳压器，可为后续电路提供低噪稳定的电压， 其优点为体积小、电源抑制( p s r ) 高、功耗小、噪声低等。另外，l d o 还拥有良好的负载 瞬态响应和线性瞬态响应，广泛应用于各消费电子、汽车电子等领域。随着技术的进步和市 场的变化，对l d o 的性能要求也在不断提高。因此，性能优良的l d o 设计是当前电源芯片 设计领域的研究热点，具有重要的实际应用价值和理论意义。 论文为高精准度的r c 振荡器设计了一款高性能低压差线性稳压器l d o ，旨在有效降低 电源低频噪声对r c 振荡器特性的影响，其输入电压为4 8 v ，输出电压为4 5 v ，负载电流范 围为o 5 m a - 5 0 m a 。该l d o 具有良好的温度特性，较高的电源噪声抑制能力，同时还能在各 种负载条件下稳定工作。整个r c 振荡器项目采用无锡华润上华c m o so 5l lm 工艺仿真并 流片。 论文首先对l d o 设计的基本结构和工作原理进行分析，给出重要的性能参数，并对几大 关键问题进行了研究，具体在无运放带隙基准电压源、l d o 的基本结构和工作原理、l d o 频 率补偿、误差放大器等几个部分进行了深入的研究和探讨，提出了具有实际意义的电路结构， 包括基于二阶曲率补偿的无运放基准源、误差放大器、限流保护电路。然后对系统内部各个 模块进行了具体的电路分析和设计，并给出了仿真结果，最后完成了整个r c 振荡器芯片的 版图设计。 关键词：低压差线性稳压器；无运放带隙基准源；电路设计；版图设计 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h ep o w e rt e c h n o l o g yw h i c hi s e s s e n t i a lf o rav a r i e t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tw i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t a san e w g e n e r a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，l o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ( l d o ) r e g u l a t o r , c a l lp r o v i d el o w n o i s ea n ds t a b l ev o l t a g ef o rt h ef o l l o w - u pc i r c u i t b e i n gw i t hs m a l ls i z e , a n dh i 曲s u p p l yr e j e c t i o n ( p s r ) ，i tw i l lc o n s u m el o wp o w e ra n dp r o d u c el o wn o i s ew h i c ha r ea d v a n t a g e sc o m p a r i n gw i t h o t h e rp r o d u c t s i na d d i t i o n , w i mg o o dl o a dt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dl i n e a rt r a n s i e n tr e s p o n s e ，t h e l d oc r nb ew i d e l yu s e di nv a r i o u sc o n s r m e re l e c t r o n i c s ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n do t h e rf i e l d s w i t ht h ea d v a n c e si nt e c h n o l o g ya n dm a r k e tc h a n g e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h el d oi sa l s on e e dt o b ei m p r o v e d t h e r e f o r e , t h el d o d e s i g nw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c ew i l lb e c o m ear e s e a r c hf o c u s i np o w e rc h i ps e tf i e l da n dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e i no r d e rt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e ro ft h er co s c i l l a t o r , w h i c hi sm a d e b yl o w f r e q u e n c yn o i s eo f p o w e r , ah i 曲- p e r f o r m a n c el o wd r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o rl d o i sd e s i g n e d f o rh i 曲p r e c i s i o nr co s c i l l a t o r , 谢廿1i t si n p u tv o l t a g e4 8 v , t h eo u t p u tv o l t a g e4 5 v , a n dt h el o a d c u r r e n tr a n g eo f0 5 m a 一5 0 m a t h el d oh a sg o o dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，h i 曲p o w e rs u p p l y n o i s er e j c c t i o nc a p a b i l i t y , i tc a l la l s ow o r ks t a b l yu n d e rv a r i o u sl o a dc o n d i t i o n s t h ec s m cc m o s 0 5 1 m as i m u l a t i o np r o c e s si su s e da n dt a p e do u ti nt h ew h o l er c o s c i l l a t o rp r o j e c t t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el d od e s i g n , p r o v i d e sw i mt h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n dd o e ss o m er e s e a r c ho n a f e wk e yi s s u e s i t s t u d i e sa n de x p l o r e sd e e p l ya n ds p e c i f i c a l l yi nt h ea b s e n c eo ft r a n s p o r tp u tb a n d g a pr e f e r e n c e v o l t a g es o u r c e ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el d of r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n , e r r o ra m p l i f i e r , t h el d o sl a r g es i g n a lr e s p o n s e ，a n ds e v e r a lo t h e rp a r t s ，i n c l u d i n gn os e c o n d - o r d e r c u r v a t u r ec o m p e n s a t i o no pa m pr e f e r e n c e ，e r r o ra m p l i f i e r , c u r r e n tl i m i tc i r c u i ta n ds h o r tc i r c u i t p r o t e c t i o n i tt h e nd o e ss o m ec i r c u i ta n a l y s i sa n dd e s i g n sf o re a c hm o d u l ew i t h i nt h es y s t e m , s h o w s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n df i n a l i z e st h el a y o u to ft h ee n t i r er c c h i p k e yw o r d s ：l o w - d r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r s ；a m p - l e s sb a n d g a pr e f e r e n c e ；c i r c u i td e s i g n ； 1 a y o u t i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 l 绪论 随着电子信息产业的蓬勃发展和各电子产品由奢侈品变为生活常用品的趋势，各种各样 的半导体和系统公司都瞄准了芯片市场，大力推出各种各样的低成本、低功耗、高质量的集 成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，i c ) 芯片。现今，集成电路产业是衡量国家综合实力和国际竞争 力的重要标志，因此模拟集成电路芯片发展前景广阱。 1 1 课题研究的背景、目的及意义 近年来，随着电子技术的不断发展，集成电路在生产工艺上的不断进步，系统芯片的种 类变得越来越多，在应用的领域方面也越来越广。目前，多晶硅栅c m o s 工艺已经发展到了 深亚微米，使用0 1 8l am 、9 0 n m 和4 5 n m 级工艺器件来制造芯片并不是天方夜谭。当今，碳 纳米管的出现又将使这些技术得到更进一步的发展。各类电子器件尺寸不断地减小，推动着 各类电子设备芯片向着更高集成度的方向发展【z j 。 过去的十几年里，电源技术的发展可以说是突飞猛进，电源管理是电子领域中不可或缺 的行业之一。随着电子产品在人们的生活中逐步得到普及，价格越来越便宜，产品的集成度 越来越高，而功能却越来越强，应用范围也越来越广泛。在大多数的电子设备中，如计算机、 通信设备、掌上电脑( p d a ) 、网络设备、数码相机以及汽车电子等，都必须要有可靠的电 源管理电路。电源的精度、稳定性和可靠性都直接影响着电子设备的性能，因而电源管理技 术显得尤为重要。随着电源电路越来越复杂，集成化程度也愈来愈高，电源技术已经逐渐地 演变成为一个独立的学科分支【3 4 】。从研发趋势的角度来看，电源管理芯片产品的发展主要呈 现以下几种趋势： ( 1 ) 电路中多路不同的供电电压同时供给的趋势。同时帮系统的多个不同电路部分高效 率供电，人性化设计多路不同电压将使得电源管理类型的芯片能够更加灵活地使用在越来越 多的场合。 ( 2 ) 集成化的发展趋势。现实应用中，单位面积芯片的功能越来越多，但是芯片的体积 却越来越小；同时，在功率密度不断提高的需求下，还将迫使设计者朝着大电流低电压电源 模块的设计方向继续努力。另外，在系统里，版图上电源管理部分的面积也因为你总体功能 的不断复杂化而被其他功能的系统挤得愈来愈小。基于这些挑战，同时需要降低成本等的需 求，电源芯片的各模块设计单位正通过不懈的努力将p w m 控制器、电池充电管理i c 和d c d c 转换器等不同元件集成到单个较为完善的多功能电源芯片上，以便于提供更加优秀的解 决方案【5 1 。这里，最为明显的例子是供电管理单元( p m u ) 产品，该产品已经广泛应用在通讯类 如手机等各种电子产品中，并且在其他各种便携电子产品中的应用将使其发展地更加迅猛。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 转换效率和供电精度提高的趋势。特别是在同时供给多路电压的要求下，各种集成 电路的低电压趋势将使电压转换变得愈发困难重重，电源管理芯片设计的重大挑战之一就体 现在精确、有效地帮各个电路功能模块供电。 ( 4 ) 低功耗的发展趋势。一方面，随着便携式电子产品功能的逐渐强大，待机时间的需 求不断提高，设计一款功耗较低的电源管理i c 成为必要；同时，芯片单位面积能够及时处理 的散热量是很有限的，特别是集成度不断提高的情况下显得更加重要【6 】。除此之外，基于公 众对环境保护的日益重视，人民也越来越关注电子产品的功耗大小。电池的使用寿命，在很 大程度上往往决定了电子产品的性能优劣。现今新型电源管理类芯片的静态功耗越来越小， 某些新型电源管理芯片已经具有关闭电源的控制功能，使其静态电流可以降到5ua 左右， 这将使得功耗有效降低。 ( 5 ) 芯片封装优化的趋势。人们在尽可能压缩版图面积的同时考虑到芯片能够承受的发 热量，需要提高散热能力，这种需求将使得电源管理芯片的生产商更加不断努力改进封装技 术以达到更好的散热效果。 根据其结构和功能的不同，大致可划分为以下六类： ( 1 ) d c d c 变换器：它们包括电荷泵及升压降压变换器。 ( 2 ) 功率因数校正预调器r ( p f c ) ：有功率因数自动校正功能的电源电路。 ( 3 ) 脉宽调n 调频调错u ( p w m p f m ) 控制器：p w m 和p f m 控制器即脉冲宽度调制和脉冲 频率调制控制电路，将用于驱动外部开关。 ( 4 ) a c d c 离线变换器：它们内含低电压控制电路和高电压开关晶体管。 ( 5 ) 线性稳压器：一般包括负向和正向稳压器，外加低压降线性稳压器( l d o ) 。 ( 6 ) 电池充电管理芯片：包括电量显示芯片、电池充电、可进行电池数据通讯外加保护 的智能电池i c 。 低压差线性稳压器即l d o ( 1 0 wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 是利用晶体管或者是m o s 管工作在饱 和区或线性区来调节整个环路，当负载变化时通过整个负反馈来控制调整器件以稳定输出电 压保持不变，在早些时候的调整管都是使用三极管实现的；最新的发展中调整管是采用m o s 管来来实现，因为如果用p m o s 管来做调整管可以进一步的降低压差，一般可以做到两百毫 伏，最近有报道最低的电压差甚至达到了几十毫伏的地步，这就对整个l d o 的环路稳定性提 出了更高的要求，同时此l d o 里面的误差放大器的性能也是一大瓶颈，在学术界，低压差也 是l d o 发展和研究的一个方向。在电源管理i c 中，低压差线性稳压器只是一种类型的电源 管理芯片，确切的说应该是降压芯片大家庭的一员。作为电源管理电路之一，其具有低功耗、 低噪声、高速率、低成本等的特点，和d c d c 开关电源一起占有着市场大部分的份额。如果 当输出电压和输入电压之间的差值比较小时，那么一般选用l d o ，而非d c d c 来实现降压。 低压差线性稳压器具有较简单的结构和较为灵活的稳定方式，在s o c 应用中，其版图面积较 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 小，而且具有较强的抗噪声能力。往往在s o c 设计中优先选择l d o 作为整个芯片的供电模 块【1 0 - 1 3 】。l d o 产品的高速发展，推动了便携式消费电子类产品的快速发展，同时也很好地推 动了同类电源管理产品的更新换代速度。然而从发展趋势来看，低压差线性稳压器l d o 因为 其价格的降低，市场份额有些许下降。因此，l d o 技术发展的挑战主要在于人们希望l d o 能够提供更高的效率、更小的芯片封装面积以及更低的功耗，如此才能更好地应对便携式电 子设备中对苛刻的工作环境和高效率的需求。 1 2 国内外研究的现状和发展趋势 由于便携式的电子产品在市场中所占有的份额不断地增多，在最近的十几年来，无论是 国外，还是国内，其发展速度都是令世界瞩目的。l d o 作为主要电源电路之一，其性能越来 越好，应用范围越来越广i 1 4 以5 1 。 国外的l d o 线性稳压芯片设计大部分采用先进c m o s 技术来实现，这样就克服了传统 的采用双极性制造工艺导致的面积和功耗较大等劣势。对p m o s 做调整管的c m o s 技术实现 线性稳压器l d o 进行了较多的理论研究和相应的芯片测试工作，采用p m o s 管做调整管， 可以大幅度地降低压差；在当前的主流工艺条件下压差可以降至2 0 0m v 以下时，仍可提供 几安培的负载电流，这使得l d o 线性稳压器能够真正的被应用到低压差的环境中去，进步 达到提高电池的使用寿命。国外有些i c 设计公司的l d o 产品具有很优异的性能，比如世界 著名的半导体公司t 1 的i d o 类产品如t p s 7 8 0 0 2 等，采用p m o s 作为调整管和先进的工艺 制作，能够提供1 2 3 _ 3v 多个用户可选的输出电压，更为难得的是其压差仅为3 0 m v 4 0 m v ， 其静态电流在4 0 m a 输出时仅有1 7 | ia ；在工业界，压差在5 0 0 m v 以下i 输出电流从几毫 安到几安培的l d o 线性稳压器己经具有很多的选择了；m a x i m 公司最新的l d o 类产品如 m a x l 5 0 2 7 和m a x l 5 0 2 8 ，它们的输入电压范围为1 4 2 5 - 3 6 v ，典型电压的压降为0 0 7 5 v ， 负载电流1 a ，工作温度为- 4 0 。c 至+ 1 2 5 。c ，也是同类产品的佼佼者。其应用范围也是特别的 广泛，包含了汽车、基站、a t e 、网络、光模块、存储和服务器。良好的性能和先进的技术 是密不可分的，国外的半导体加工在技术方面投入很多，近年来推出了许多优良的c m o s 工 艺，比如i n t d 、t i 等公司都设有自己的工艺研发机构来研发专门应用于电源管理的先进工艺， 从而制造出优良性能的产品，国外采用优良的性能生产的l d o 线性稳压器在市场上具有较强 的竞争力，进一步提高了国外产品的竞争力，在行业中保持着绝对的地位，进一步压缩其他 公司的生存空间，进行着一个良性循环。比如在当今的笔记本电脑、台式电脑、手持设备甚 至微处理器中都运用了国外公司的线性稳压器l d o ，在传统的电子行业里更是得到了大量的 使用，国外的电源管理i c 在国内的应用市场中也占据着重要的地位。国外的l d o 线性稳压 器i c 具有非常多的种类，各有侧重点，比如高效率、低压差、输出电压可选等方向，另外还 有用于高电压的线性稳压器l d o 出现，其占据着国际市场绝大部分的份额。目前t i 公司仅 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 线性稳压器l d o 就具有近三百多种品种，让用户可以根据自己的需要灵活的选择所需的l d o 。 国内的l d o 线性稳压芯片在近几年取得了长足的发展。借鉴于外国的先进技术并充分地 利用国内优惠的政策，在国内也有很多公司开始从事l d o 芯片设计与投产，在国内市场中也 开始慢慢崭露头角，甚至有些公司的产品己经开始走向了国际市场，早期从事l d o 生产的圣 邦微电子公司生产的系列l d o 如s g 2 0 0 1 、s g 2 0 0 2 、s g 2 0 0 3 等，可以满足当前市场上部分 电流与电压的需求，其新近推出的双路l d o 如s g m 2 0 2 2 ，工作电压为2 5 5 5 v ，额定输出 电流为2 5 0 m a ，在散热允许的情况下，可以达到3 0 0 m a ，其2 5 0 m a 负载条件下压差小于2 5 0 m v ，输出精度可达到2 ，还具有过热过流保护的功能，工作温度为_ 4 0 至+ 1 2 5 。在取 得这些成绩的同时，我们必须看到，国内公司的线性稳压器l d o 产品研究仍然落后于世界先 进公司，在性能和工艺上缺乏有力的支持，在市场中仍然靠价格低的优势来抢占市场，后继 研发力量不足，容易满足。与国外相比，国内企业在规模和质量上都还存在很大的差距，且 在将l d o 芯片集成到a s i c 芯片内部的文献甚少【l 9 1 。 综上所述，全球范围内电源管理技术已经正式进入了成熟的阶段，我们中国在这方面的 发展也较为迅速，但与国际相比尚有一定的差距，这需要多与国际先进技术水平进行交流。 尽管如此，这门技术总发展趋势还是一致的，即高集成度，高效率，低功耗以及多功能化。 所以，在掌握基本电源管理芯片知识的同时，还需具备相当的创新性能力，不断建立与完善 更适应未来发展的结构，具有长远的重要意义。 1 3 课题的主要研究内容 针对国内现有的线性稳压器l d 0 产品的缺点与不足，对一款应用于s o c 内部的低压差线 性稳压器l d o 进行深入地研究是十分有必要的。本课题设计的线性稳压器l d o 不仅具有高 电源抑制比、低功耗，而且在整个负载范围内都具有稳定的相位裕度的线性稳压器l d o ：该 线性稳压器l d o 很好的提高了产品性能，满足了电子产品快速发展的需求，弥补了当前国内 线性稳压器l d o 产品的缺陷。本课题研究的主要内容是l d o 的基本结构与工作原理、 l d o 频率补偿、无运放带隙基准电压源、以及误差放大器几大部分；通过对这几个部分进行 了深入的研究和探讨，研究比较前沿的设计方法，并提出了具有实际意义的电路结构，包括 基于二阶曲率补偿的无运放基准电压源、误差放大器、限流电路和短路保护电路；对系统内 部各个模块进行了具体详细的电路分析和设计，并基于无锡上华c m o s0 5l lm 器件模型使 用c a d e n c e 的s p e c t r e 仿真软件对电路的各大模块及l d o 整体电路进行了仿真分析；在得出 了仿真结果后，完成了整个低压差线性稳压器l d o 芯片的版图设计。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 线性稳压器l d 0 的工作原理及主要技术指标 2 1l d o 的性能分类 一直以来，低压差线性稳压器l d o 有着较为成熟的应用和设计方案，但随着工艺的不断 发展、系统集成度的不断提高和电源电压的降低，对l d o 的性能有着更高的要求。往往一个 实用的l d o 难以满足所有的需求，因此大致可以根据以下几个性能分类【2 嗍： 低噪声：和开关稳压器、电荷泵电路相比，低噪声是l d o 的最重要的优点，同样也是l d o 存在的关键特性之一。对于众多高性能电源管理芯片中，低噪声l d o 不可替代。 高p s r r ：l d o 往往和其他的电路尤其是开关稳压器集成在同一芯片上，难免受到数字 噪声的干扰，因此高p s r r 的l d o 的存在意义十分重大。 大输出电流能力：随着系统集成度的提高，系统供电电流越来越大，对l d o 输出电流的 需求也越来越大。 低功耗：电源管理芯片的功耗影响电源的效率和电池的寿命，再者，低功耗也意味着低 散热，所以低功耗几乎是所有芯片设计者的追求。 低输入电压：随着工艺的发展和系统集成度的提高，电源电压越来越低，这就对l d o 的 低压设计提出了额外的要求。低输入电压往往也意味着低压差。 无片外电容：无片外电容意味着芯片少一个管脚，简化了外围电路，提高了系统集成度。 2 2l d o 的结构与工作原理 l d o 是英文l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r 的简称( 即低压差线性稳压器) ，l d o 作为一 种直流电压稳压器，因具有输出噪声低、体积小、干扰小、低功耗、外接元器件少、使用方 便、价格低廉的特点而被广泛用在便携类电子产品中。 典型的l d o 结构框图如图2 1 所示，系统主要由电压基准源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 、误差放 大器( e r r o ra m p ) 、功率调整管( p a s se l e m e n t ) 、反馈网络( f e e d b a c kn e t ) 四大部分组成。同时 为了保证电路正常稳定的工作，在电路设计时还应该加入启动电路和一些保护电路，如短路 保护、过热关断电路以及过流保护电路等。除此之外，为了满足不同电子产品生产厂商的需 求要使电路的输出具有多样性，那么在设计电路中应该考虑加入校正电路等辅助功能模块。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 v i n g 图2 1 线性稳压器的基本结构 电压基准( v o l t a g er e f e r e n c e ) 在l d o 电路中接误差放大器的一个输入端，它提供一个稳 定的不随温度变化的直流参考电压，一般情况下使用带隙基准电压源或齐纳二极管来提供； 其误差大小将直接影响输出电压，因此在设计电压基准源时，多采用该行业公认和广泛应用 的带隙技术，基于这种技术的带隙基准电压基本与温度无关。 误差放大器即e r r o ra m p 的一端接基准电压，另外一端接来自反馈网络的反馈信号，用 来对通过反馈电阻网络反馈回的电压和基准电压进行比较，通过系统负反馈来控制l d o 的输 出电压完成自校正的目的，即采样电阻r f l 和r f a 、误差放大器、调整元件构成一个负反馈系 统，通过负反馈网络调节调整元件的工作状态，进而稳定输出电压。理想条件下，输出电压 v o t r r 可以近似为 v o l r r v 眦r f f , + r f 2 ( 2 1 ) k f 2 功率调整管( p a s se l e m e n t ) 通常情况下尺寸很大，可以选用p m o s 或n m o s 场效应管，l d o 就是通过误差放大器的输出端来调整功率管电流值来达到稳定输出电压的目的。 反馈网络即f e e d b a c kn e t ，主要由电阻r f l 和r r 2 组成，如果输出为多个电压值，那么反 馈网络可以由n 个电阻组成，这样根据电阻的不同组合情况便可得到不同的输出电压。通过 对输出电压进行采样反馈网络得到反馈电压然后直接接入误差放大器，实现和基准电压的比 较。 2 3l d o 的主要技术指标【2 5 - 3 0 对于不同的电路模块，都有不同的性能指标来衡量电路的性能。低压差线性稳压器的主 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 要性能参数包括：压差、效率、静态电流、电源抑制比、瞬态响应等。 ( 1 ) 压差( d r o p o u tv o l t a g e ) 当l d o 的输入电压和输出电压的差值大于某临界值时，系统能够输出稳定的电压，当该 差值小于这一临界值时，将丧失对输出电压的调整能力，这一临界值即为l d o 的压差v d 哪 m ： v d r o p o u t = 一w ( 2 2 ) 在临界值，调整管等效电阻为r o s ，若负载电流为t o u r ，即经过调整管的电流约为1 0 u t ， 则v c i l d p o m 还可表示为： v d r o p d l i r = r o n 厶w ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) n - i 知，l d o 的压差和最大输出电流以及调整管之间的关系。如果p m o s 来做这个调整管，那么相同的压差下，管子的尺寸越大即r o s 越小，l d o 的最大输出电流 也越大。反之，在相同的最大输出电流下，压差越大，管子的尺寸越小，相应的寄生电容也 越小，频率补偿越容易。 t ( 2 )静态电流i o 静态电流即l d o 空载时整个电路的电流，反映了l d o 内部电路的功耗，也可表示为输 入电流和输出电路之差： iq = i l n i o 暇 ( 2 吣 对于工程师来言，通常希望在保证其他性能指标的前提下静态电流越小越好。 ( 3 ) 转换效率t 1 l d o 的转换效率定义为： 7 7 = 叠= v o u t l o u t = 箪：k 弋 。k ( + 易盯j ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，静态电流一定的情况下，l d o 的输出电流越大，那么转换效率就越高： 同样，输出电流一定的情况下，静态电流越小，转换效率就越高。 ( 4 ) 负载瞬态响应v 0 m 戤 负载瞬态响应是负载电流突变时输出电压的最大变化，是输出电容c l 、旁路电容c b 和 自身寄生电阻的函数。旁路电容c b 可以有效改善瞬态响应性能。一般说来，最大瞬态电压变 化量m 越为： 巧，冁2 两l o v r , n m 。 ( 2 6 ) 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 中a v e s r 是寄生电阻r e s r 的压降，t 1 和l d o 的3 d b 带宽有关，1 0 叽m 舣为最大输 出电流。 ( 5 )电源抑制比p s r r 电源抑制比p s r r 表征了l d o 的输出电压对输入电源电压的纹波抑制能力，定义为： p s 一吣 是 亿7 ， l d o 的p s r r 主要和基准电压源以及误差放大器的p s r r 有关。 2 4 小结 本章主要介绍了低压差线性稳压器l d o 的两个部分：一个是低压差线性稳压器l d o 的 基本结构及工作原理；另一个是重点说明了低压差线性稳压器l d o 的部分关键性能指标的定 义和数学计算公式。该内容的阐述为下面各章节的论述做好了理论准备。 杭州电子科技大学硕士学位论文 3l d 0 的稳定性与频率补偿技术分析 对线性稳压器l d o 来说，稳定性是其最重要的性能，只有当该系统能够稳定的工作，才 有可能去实现其他的性能和功能，因而本文在研究分析l d o 系统的频率补偿技术之前，首先 应该了解反馈系统的稳定性和系统的频率响应，并根据系统的环路增益、零极点分布等情况 来选择合适的频率补偿方案，这样对下一章的具体电路实现具有很大的理论指导作用。 3 1 传统负反馈系统稳定性分析 对于反馈系统如图3 1 所示。 其闭环传输函数为： 渺蒜 8 1 ， 若a ( s ) f - - - 1 ，则v o v , 趋于无穷大，在s o = j w o，a o w o ) f - - 1 ，则表示在频率w o 处将会产 生振荡，此时： 彳= l 厂口( j w o ) l = 1 ( 3 2 ) 伊2 么 厂口溉) | 1 8 0 。 ( 3 3 ) 要使系统稳定，那么应使a = i 时，总相移c , a 应大于一1 8 0 。如图所示，a 为稳定系统，相 位裕度p m 0 ，b 为不稳定系统，相位裕度p m 0 。一般情况下，p m = 6 0 0 最佳。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 w j 7 ： w ( a ) 稳定系统( b ) 不稳定系统 图3 2 稳定系统和不稳定系统示意图 当系统只有一个极点，那么系统相移不大于9 0 0 ，即系统绝对稳定。现实应用中，系统往 往包含多个极点和零点，此时，系统就需要频率补偿。 3 2l d o 的频率补偿理论 l d o 基于传统负反馈线性控制原理，具有低成本、低噪声、低功耗、结构简单等突出的 优点。由于负载电流变化范围大( 即输出电阻变化范围大) ，其频率补偿一直是l d o 设计的 重难点【3 1 。6 】。频率补偿的实质是有效控制l d o 负反馈环路中零极点的分布，进而实现闭环系 统稳定。本节将对频率补偿进行深入的分析和研究。 l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 。 图3 1l d 0 基本结构 l d o 的基本结构如图3 3 所示，一般由以下几个模块构成：带隙基准电压源( b a n d g a p ) 、 电流偏置电路( b l 久s ) 、误差放大器( e r r a ) 、功率调整管( p a s st r a n s i s t o r ) 、片外负载和 反馈电阻( r h - 2 ) 。其中带隙基准电压源提供参考电压，电流偏置电路为系统提供高精度、低温 漂的偏置电流，误差放大器将参考电压和输出反馈电压进行比较并放大，然后用来控制调整 管的工作状态，进而得到稳定是直流输出电压，即： ，d、 = v o w l1 + 挚i 脚2 ( 3 4 ) 3 2 1 等效串联电阻( e s r ) 补偿技术 e s r 补偿是通过输出端并联一个带寄生电阻的电容，产生一个左半平面零点进行频率补 偿。该方法的优点是有效而直接，然而由于l d o 的输出电流变化范围大，即输出电阻变化大， 并且外接输出电容的串联等效寄生电阻也会因电容的不同而不同，其产生的零点也不同，因 此频率补偿难以控制。同时，该方法不适用于多级l d o 的频率补偿。含有e s r 补偿的l d o l 交流小信号等效模型如图3 互所示。 杭州电子科技大学硕士学位论文 蟮 其中，电容c l 为外接补偿电容，c b p 是高频旁路电容，l d o 的输出阻抗可表示为： 讣川刊卜r 剞击 s ， 闭环传输函数可表示为： 州垆净击 g 唧丧z 沁 6 ， 假使r e s r r d s ，r d s r l ，r l + i l =+ l l ( 4 1 2 ) 当电路空载时，功率管仅仅为反馈电阻网络提供电流，所以得工作在亚阈值区。 功率管的输出极点会随着负载电流的变化而变化，m ，v 即l d o 的压差是确定的， 输出电流和负载电阻成反比，所以功率管级的增益带宽积会随着输出电流的变化而变化。在 设计电路时，需要保证在最大输出电流时候，高频极点依然在单位增益带宽之外。 4 1 3 带隙基准电压源的电路设计 4 1 3 1 基准电压的总体电路设计 无论是传统含运放的带隙基准电压源还是无运放带隙基准电压源，其结构框图都可以归 结为如图4 6 所示。不同之处在于实现电压箝位电路的方法：通过运算放大器实现电压箝位， 通过共源共栅管实现电压箝位，还有通过负反馈电路实现电压箝位。本设计采用共源共栅管 实现电压箝位。 图4 6 带隙基准电压源的结构框图 对于带隙基准源的输出结构主要有三种删，如图4 7 所示： 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( a ) 电压求和模式 1 ) 电压求和模式 ： ( b ) 电流求和模式( c ) 混合模式 图4 7 带隙基准的输出结构 如图的a 图所示为输出结构采用电压求和模式，传统带隙基准电压源即采用此输出机制， 用具有正温度系数的电流i p t a t 流过电阻产生具有正温度系数的电压v p t a t ，与具有负温度系 数的电压v b e 求和，进而获得特定温度下的零温度系数电压。 该结构通过调整电阻的大小进行温度补偿，方法简答易控制，缺点在于输出电压为1 2 v 左右。 2 ) 电流求和模式 如图的b 图所示，输出结构采用电流求和模式，此时的输出电压基本为固定值1 2 v 左右。 其输出电压的表达式为： 娟降引 他埘 电流求和模式的基本原理来自于电压求和模式的基本原理，即0 节所述的眇= v 8 f + k v r 。 3 ) 混合模式 如图的c 图所示为电压电流混合模式，优点在于输出基准电压范围大及温度补偿易控制， 缺点在于电路结构相对较为复杂。依照此图，v r e f 的表达式为： 。乞( 马+ 足) + r 。足 ( 4 1 4 ) 杭州电子科技大学硕士学位论文 其中，i v b e 具有负温度系数，而i l r r a t 具有正温度系数，通过调整r l 和r 2 的大小来完成 温度补偿，并调整输出电压的大小。 根据上述对带隙基准电压源输出结构的讨论，本次设计将采用电压求和外加运放来实现 输出电压大小的调整和驱动能力的改善。如图4 8 所示： r e f 图4 8 本文采用的带隙电压基准输出结构 采用运算放大器实现电压箝位的带隙基准电压源，使得电路设计较为复杂，而且运算放 大器的增益、速度、失调等性能尤其是失调对带隙电路的性能有着很大的影响。而无运放的 带隙基准电压源往往大大简化了电路设计，避免了运放的失调带给带隙基准的影响，同时还 获得了较高的性能。 综上所述，本设计采用共源共栅管进行电压箝位并采用基于运放的输出驱动结构。基于 上述讨论，本次设计的带隙基准电压源的电路图如下图所示： 4 1 3 2 基准电压的核心电路设计 带隙基准核心电路如图4 9 所示，由晶体管m 4 , - , m 1 3 、电阻r 1 一r 3 和双极型晶体管q 1 - q 3 组成。 杭州电子科技大学硕士学位论文 图4 9 带隙基准电路的总体电路图 该电路的一大突出特点就是不需要采用额外的电流偏置电路，电路只需通过m 4 - - , m 7 、m 1 2 和m 1 3 构成带隙的自偏置共源共栅结构的电流镜电路就可以提供电路所需电流。与传统的 带隙基准结构相比较，共源共栅结构具有很好的屏蔽作用，不仅结构简单，还可以有效地改 善晶体管的沟道长度调制效应。由m 8 、m 9 、m 1 0 、m 11 组成的共源共栅结构是电压箝位电 路，由于共源共栅结构的屏蔽作用，从而使该电路与运放具有类似的电路功能，保证了v x - - v y ，并使得q 1 、q 2 和r l 组成了一个p t a t 电路。由于v b e i = i v b e 2 + v r l ，则v r i = v b e i - - v b e 2 = a v b e = v ti n ( i c l l s l ) - - v ti n ( i c 2 i s 2 ) = v t l n n ，从而产生i l = 1 2 = 1 3 = v t l n ( n ) 】r l ，】= j 2 = 3 = 掣为正温度系数的p t a t 电流，使得 虼：+ 驾掣( 足+ r ，) ：+ 墨矿l n ( ) + 譬讪( ) r r 1 、 l l 1 、 ( 4 1 s ) v b e 3 是一个具有负温度系数的电压，v t h a f n ) 贝l j 具有正温度系数的电压，所以只需选择合 适的r 2 和r 3 ，就可以得到理论上具有零温度系数的基准电压输出值v z 。 4 1 3 3 曲率补偿和输出驱动电路设计 该电路的曲率补偿部分如图所示，采用不同种类电阻的不同温度系数进行二阶温度补偿， 从而获得较低的温漂性能。r 1 和r 2 是具有负温度系数的r r h r l k ，即多晶硅高阻l l d l ，r 3 是具有正温度系数的n 扩散电阻( m p l u s ) 。根据式( 2 ) 分析可得，由于r 1 、r 2 的温度系数相同， 杭州电子科技大学硕士学位论文 k 2 r r 2 r l 的比值与温度无关，故( r 2 瓜1 ) v l h ( n ) 鲁v t i n ( n ) 项只是线性补偿，但是r 1 、r 3 的温度系数相反，r 3 瓜l 的比值与温度有关，为温度t 的函数，且具有正温度系数，这样就获 得警v tl n ( n ) 项做二阶曲率补偿，因而使得整个带隙基准电压的温度系数大大减少。 而该电路的输出驱动电路如图4 9 所示，利用一个简单的运放结构作为基准输出端的驱 动电路，增强带隙的电流驱动能力，节省了芯片面积。不仅能够提供负载所需要的驱动电流， 同时还能够保证在产生其他基准电压时，对其中的基准电路本身不产生任何影响。该电路的 输出参考电压值为= v r c f x ( r i ) r o ，其中r o = r 1 + r 2 + r 3 。该式中的比例电阻构成新的 参考电压，所以输出电压值与温度无关。由此得到的3 个电压值。这种结构不仅能够产生电 源抑制比高、功耗低、温度系数小的基准电压，同时在很大程度上还能使芯片的面积得到减 小。 4 1 3 4 启动电路设计 电源上电初期，如果没有启动电路，那么带隙基准电路有两种可能的稳定状态。一是所 谓的简并工作点，核心电路电流为零，二是晶体管导通，核心电路正常工作。前者不是我们 所希望的状态，所以需要启动电路来保证电路的绝对启动。 设计启动电路的基本思想是，启动电路在电源上电初期为整个电路提供偏置电流，打破 简并工作点，保证电路正常工作；同时，在启动完成之后，该电路应能够自动关断，而不影 响电路的正常工作。 本设计的启动电路如图4 9 所示由m i ，m 2 和m 3 构成，具有器件少、功率损耗少的优 点。m 3 类似于一个n m o s 开关，在电源上电初期，将电流从m 4 m 5 的栅极导入m i o m 1 1 的栅极，这个电流将促使核心电路正常工作。等到电路正常工作之时，m i o m l l 的栅极电压 抬高，m 2 导通，进而拉低m 2 的漏极电压，即m 3 的栅极电压降低，m 3 的栅源电压小于阈 值电压，故m 3 关断。 。 4 1 3 5 影响带隙基准的主要误差分析及解决方案 因为集成电路的面积很小，所以集成电路中所有器件的制造环境相近。一般说来，当某 一元件的某一属性因工艺过程有所改变，那么其它类似的元件的相应属性也会有相同的改变。 同一芯片上的相似元件的比率可以控制在很小很小的范围之内，这些相似元件称为匹配器件， 彼此的不匹配常用不匹配度表示