（电路与系统专业论文）全片上集成的线性稳压器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路与系统芯h l ( s y s t e m0 1 1ac h i p ，s o c ) 设计技术的飞速发展，需要 将越来越多的功能模块集成到芯片上，其中通常会包括电源模块，因为电源模块 是系统不可或缺的构成部分。低压差线性稳压器( 1 0 w - d r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r , l d o ) 由于具有输入输出压差低、电路结构简单的优点，很适合作为电源模块全 片上集成到s o c 系统中。 本文在分析全片上集成l d o 的设计原理的基础上，提出了一种采用单跨导 增益级的全片上集成l d o 的电路结构，并设计了相应的频率补偿电路和瞬态响 应提升电路。该l d o 只需要1 0 0 p f 的负载电容就能实现稳定输出，很适合作为 电源模块集成到s o c 系统中。 另外，本文中还介绍了该全片上集成l d o 中带隙基准电压源，高精度电流 偏置，保护电路，使能电路的工作原理和具体电路实现。 芯片采用1 5 p mb c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工艺设计和实现。采用 c a d e n c e 公司的s p e c t r e s 软件对系统的电路模块进行仿真。仿真结果表明，该l d o 的线性调整率和负载调整率的典型值分别为2 8 m v v 和2 2 8 1 t v m a ，瞬态响应 的最大超调量为3 8 m v 。l k h z 下的电源抑制比为5 0 d b 。 关键词：全片上集成；低压差线性稳压器；频率补偿；瞬态响应； 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h es o c ( s y s t e mo nac h i p ) t e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e f u n c t i o nm o d u l e sa r er e q u i r e dt ob e i n t e g r a t e d o n ac h i p ，i n c l u d i n gp o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e sw h i c ha r en e c e s s a r yf o re l e c t r o n i cs y s t e m l o w d r o p o u t v o l t a g er e g u l a t o r ( l d o ) i sv e r ys u i t a b l ef o rb e i n gi n t e g r a t e do ns y s t e mc h i pa sp o w e r m a n a g e m e n tf u n c t i o nm o d u l e ，f o ri t sa d v a n t a g e so fl o wd r o p o u tv o l t a g ea n ds i m p l e a p p l i c a t i o nc i r c u i t b a s e do na n a l y s i so ft h ed e s i g np r i n c i p l e so ff u l l o nc h i pl d o ，t h i st h e s i s p r o p o s e daf u l l o nc h i pl d oc o n s t i t u t e db yo n es t a g eo fo p e r a t et r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r t h ef r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n s c h e m ea n dt h et r a n s i e n t r e s p o n s e e n h a n c e m e n tc i r c u i ta r ea l s op r e s e n t e d s i n c ei tc a nk e e ps t a b l ew i t ho n l ya10 0 p v o u t p u tc a p a c i t o r , t h el d o i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rs o c i n t e g r a t i o n i na d d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb a n d g a pr e f e r e n c e ，h i g l l l y p r e c i s ec u r r e n tb i a s ，p r o t e c t i o nb l o c k sa n de n a b l eb l o c ka r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s t h ef u l l - o nc h i pl d oi s d e s i g n e di n1 5 p r ob c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) t e c h n o l o g y , a n di ss i m u l a t e db yt h es p e c t r e so fc a d e n c ec o p t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h el i n ea n dl o a dr e g u l a t i o na r e2 8 m v va n d2 2 8 v m ar e s p e c t i v e l y , w h i l e t h eo v e r s h o o t sa r e1 e s st h a n3 8 m v t h ep s i 汰a t1k h zi s 5 0 d b k e y w o r d s ：f u l l - o nc h i p ；l o w - d r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r ；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 tr e s p o n s e i v 浙江大学硕士学位论文 插图目次 图1 1t p s 7 3 0 2 8 l d o 芯片的封装图1 图1 2t p s 6 1 0 3 0 开关调整器的应用电路3 图1 3t p s 7 3 0 2 8 线性调整器的应用电路4 图1 4 开关调整器与l d o 串联应用的电路4 图1 5 基于a r m 指令架构的s o c 结构5 图1 6 多个l d o 为s o c 内部模块供电示意图6 图2 1 典型的l d o 电路原理图8 图2 2 输出负载电流的l d o 工作原理图1 0 图2 3 输出电压随负载电流变化的曲线。1 1 图2 4 输出电压随输入电压变化的曲线1 2 图2 5l d o 的p s r r 性能分析示意图1 3 图2 6l d o 的瞬态响应性能分析示意图1 7 图2 8 外接电容式l d o 的极点分布示意图1 9 图2 9 未加补偿电路的外接电容式l d o 的频率响应2 0 图2 1 0e s r 电容等效电路图2 0 图2 1 1e s r 电容补偿后的频率响应一2 l 图2 1 2 主极点的位置随负载的变化而变化2 2 图2 1 3 产生左半平面零点的补偿电路2 4 图2 1 4 产生左半平面零点补偿电路的小信号模型2 4 图2 1 5 零极点跟踪补偿的实现电路2 5 图2 1 6 零极点补偿l d o 的频率特性仿真2 6 图2 1 7 片内集成补偿电路的l d o 的显微照片2 7 图2 1 8 片内集成补偿电路的l d o 的线性调整率2 8 图2 1 9 片内集成补偿电路的l d o 的负载调整率2 9 图2 2 0 片内集成补偿电路的l d o 的启动过程2 9 图2 2 1 片内集成补偿电路的l d o 的瞬态响应3 0 图2 2 2 全片上集成l d o 的电路结构3 l 图2 2 3 输出极点和前馈零点随着负载电流的变化而变化3 2 v i i i 浙江大学硕士学位论文 图2 2 4 采用有源反馈补偿的频率补偿电路3 3 图2 2 5 有源反馈补偿l d o 的频率补偿效果3 4 图2 2 6 阻尼系数控制频率补偿电路3 5 图2 2 7d f c 模块的电路原理图3 6 图2 2 8 阻尼系数控制补偿l d o 的频率补偿效果3 7 图2 2 9 用摆率增强电路提升l d o 的瞬态响应性能3 8 图2 3 0 摆率增强电路加入前后瞬态响应的比较3 9 图2 3 l 电容采样式快速补偿通路电路原理图4 0 图3 1 系统结构图4 3 图3 2 两级运放增益级的等效电路图4 4 图3 3 单级运放与调整管直接连接的等效电路图4 5 图3 4 简单的单级跨导放大器4 6 图3 5 单级折叠共源共栅跨导放大器4 7 图3 6 对称电流镜跨导放大器4 8 图3 7 跨导放大器的直流放大倍数为5 5 d b 5 0 图3 8 跨导放大器的在l k h z 时的p s r r 为6 0 d b 5 0 图3 9 未加补偿电路的全片上集成l d o 的原理图5 1 图3 1 0 未加补偿电路的全片上集成l d o 的频率响应5 1 图3 1 l 加入补偿电路的全片上集成l d o 的原理图5 3 图3 1 3 加入补偿电路的全片上集成l d o 的频率响应5 5 图3 1 4 未加瞬态响应能力增强电路的l d o 的瞬态响应5 6 图3 1 5 带有瞬态响应能力增强电路的全片上集成l d o 5 7 图3 1 6 加入瞬态响应能力增强电路前后超调量的比较5 7 图3 1 7 带隙基准电压源的电路原理图5 9 图3 1 8 带隙基准电压的温度特性6 1 图3 1 9 带隙基准电路内部反馈等效电路图6 2 图3 2 0 未加补偿电容的带隙基准电路内部反馈电路的频率响应6 3 图3 2 l 加入补偿电容后的带隙基准电路内部反馈电路的频率响应6 4 图3 2 2 带隙基准电路p s r r 分析的小信号模型6 4 i x 浙江大学硕士学位论文 图3 2 3 带隙基准电压的p s r r 6 6 图3 2 4 精确电流偏置的电路原理图6 6 图3 2 5 输出电流2 u a 的精确电流偏置的温度特性。6 7 图3 2 6 精确电流偏置与p t a t 电流偏置温度特性的比较6 8 图3 2 7 过温保护模块的电路原理图6 9 图3 2 8 过温保护门限的变化过程7 0 图3 2 9 温度上升时过温保护模块的输出7 0 图3 3 0 温度下降时过温保护模块的输出7 1 图3 3 1 过流保护模块的电路原理图7 2 图3 3 2 负载电流逐渐增大时过流保护模块的输出7 3 图3 3 3 使能电路的结构7 4 图3 3 4 施密特触发器的转移特性7 4 图3 3 5 施密特触发器的电路原理图7 5 图3 3 6 输出为高电平时施密特触发器的等效电路图7 5 图3 3 7 输出为低电平时施密特触发器的等效电路图7 6 图3 3 8 使能信号输入与输出的仿真结果7 7 图4 1 使能信号启动l d o 7 8 图4 2l d o 的负载调整率仿真7 9 图4 3 负载电流为i m a 时l d o 的线性调整率仿真8 0 图4 4 负载电流为5 0 m a 时l d o 的线性调整率仿真8 0 图4 5 负载电流为l m a 时l d o 输出电压的温度特性8 l 图4 6l d o 的p s r r 性能8 2 图4 7 负载电流在l m a 5 0 m a 之间变化时l d o 的瞬态响应性能8 3 图4 8 负载电流在1 0 m a 5 0 m a 之间变化时l d o 的瞬态响应性能8 4 图4 9 输入电压在3 v - 4 v 之间变化时l d o 的瞬态响应性能8 4 图4 1 0l d o 的接地电流与负载电流的关系8 5 x 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 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 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多反诒篇， 签字日期：纱口年夕月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 础式、 导师签名： 签字日期：p ，口年，月日签字日期：加b 年；月矿日 浙江大学硕士学位论文 致谢 在学位论文即将完成之际，谨向我的导师一一吴晓波教授表示由衷的感谢和 诚挚的敬意。在两年半的硕士学位攻读期间，吴晓波教授给了我无私的帮助和谆 谆教导，为我创造了良好的学习研究机会，使我在数模混合集成电路设计方向得 到了很大的成长。吴晓波教授认真负责，严谨治学，对科学不断的追求和探索的 精神深深感染了我，这将成为我一生不断前进的动力和指南针。 感谢超大所严晓浪老师，何乐年老师，史峥老师，赵梦恋老师，虞小鹏老师， 沈海斌老师在集成电路研究与设计学习上给予的指导和帮助。 感谢美国国家半导体提供技术和工艺支持，感谢d a v i dp a c e ，g u yc h e u n g ， j o h n s o nh u 等的指导和帮助。 感谢徐孝如、曲光阳师兄在课题研究中给予地耐心指导，从他们那里学习到 很多电路的具体分析方法，和仿真工具的使用，以及芯片设计的流程等。 感谢项目组成员吕婧、沈旭真，秦琳的帮助，在他们的帮助下，项目才能顺 利进行。 感谢实验室一起工作的同学：孙越明，娄佳娜，易锋，徐建，王朗圆，严冬 勤，陆佳颖，张杰，张强，潘虹，孙亮等。从平时和他们的学习讨论中，都得到 新的思路、新的想法。和他们一起工作生活的时光将是我一生美好的回忆。 最后，感谢我的父母。是他们在背后的支持、关心和照顾才能使我安心完成 硕士攻读期间的学习、走过了各种难关，是他们的教诲帮我走到了今天。 i l 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1l d o 简介 低压差线性稳压器( 1 0 w d r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r , l d o ) 是一种输入电压大 于输出电压的直流线性稳压器。它具有输出电压稳定，低输出纹波，低噪声的特 点。如图1 1 所示，l d o 还具有封装体积小，外接元件少的特点。由于它的这些 优点，l d o 被广泛应用于通讯设备、汽车电子产品、工业和医疗仪器设备。当 前随着大量的便携式电子设备的发展，比如p d a 、移动电话、m p 3 等被广泛应 用于人们的生活工作中。这些便携式电子设备体积小巧，且大多使用电池供电， l d o 也很适合成为这类电子系统的供电方案【1 】。 l n g nd e n d b v 陬e k a g e ( t o pv i e w 0 u t n r 图1 1t p s 7 3 0 2 8 l d o 芯片的封装图 当前l d o 的技术发展有以下几个热点： 一、低压差 由于l d o 的输入电压和输出电压之间存在一个压差，当输出一定的负载电 流时，会在l d o 上消耗p o w e r = u i 的功率。这会影响l d o 的效率，如果这个功 率很大，还会导致l d o 上的功率传输管发热，需要使用体积庞大的散热片，这 样不利于l d o 应用在便携式电子设备中。如果能尽量减小这个压差，这样l d o 不但能起到稳压的作用，还能有较高的效率，在输出较大负载电流时也不会发热。 高p s r r 和低噪声 浙江大学硕士学位论文 当前无线通讯设备在我们的工作生活中发挥着越来越重要的重要，比如手 机、无线上网本、蓝牙( b l u et o o t h ) 等。这些无线设备的体积小巧，且作为手持式 移动设备一般采用电池来供电，这样小体积且外接元件少的l d o 是它们合适的 供电方案。 但无线通讯设备的射频发送器的开关动作会产生严重影响电源质量的噪声， 比如手机的射频功放的开关频率为2 1 7 h z 。射频功放在每次开关时都会从电源吸 取很大的电流( 典型情况下高达1 7 a ) ，使得在电池的等效串联电阻( e s r ) 上将产 生高达5 0 0 毫伏的突发压降。对于嵌入了高分辨率音频转换器和音频放大器的 s o c 来说，这种变化将危害s o c 的总体性能，特别是音频模块的音频处理质量 将受到严重影响，会听得到嗡嗡的噪声。这种噪声的特点是可听得见，因为它不 是随机的噪声。事实上，幅度低至1 0 m v 的噪声如果以一个固定速率发生就可以 被人耳听见。这种噪声比更大幅度的随机噪声更让人不能接受【2 】。 防止电源噪声降低音频质量的最佳方法，就是使用具有高p s r r 和低输出噪 声的线性稳压器从锂离子电池给音频放大器供电。这种l d o 线性稳压器可以作 为音频放大器供电电源的滤波模块。 三、高集成度 随着电子系统的体积越来越小，我们能够享受更多的应用便利。比如现在的 超薄手机只有5 毫米厚，而笔记本电脑也向越来越小的趋势发展。7 8 寸的上网 笔记本由于其便携性，广受用户的欢迎。电子系统的小型化，除了要求c p u 的 高集成度，同时也要求了电源部分的小型化。原先传统l d o 通常采用带e s r ( e q u a ls e r i a l sr e s i s t o r ) 的电解电容作为外部电容，但由于这种电容的体积大， 会占用较多的p c b 面积，不适合用在便携式电子系统中。为了解决这个问题， 通过设计l d o 的内部补偿电路，可以采用价格便宜的瓷片电容作为外部电容。 这样能够节省p c b 的面积，降低l d o 的应用成本。 s o c 技术的发展，使整个电子系统都有被集成到芯片上的可能。这样可以 大大降低电子系统的成本，简化电子设备的设计。由于传统l d o 的片外大电容 不容易被集成到芯片内，所以近年如何设计无片外电容的全片上集成的l d o 是 业界研究的一个热点【3 】 2 浙江大学硕士学位论文 1 2l d o 与开关稳压器的比较 开关稳压器是另一种被广泛应用的直流稳压器。开关稳压器的应用主要得益 于它的高效率，它比l d o 的工作效率高很多，一般在8 0 9 5 。 l d o 的效率受静态电流和输入输出电压的限制，计算式为： 效率7 7 = 瓦i o 五u t v o u 瓦t l o o 等l o o ( 1 ) 其中1 0 l l 。和v 矗分别是l d o 的输出电流和输出电压，v m 是输入电压，i o 是 l d o 的接地电流。假设l d o 的接地电流远小于输出电流，那么l d o 的效率取 决于输于输出的电压差。例如一个l d o 的输入电压为5 v ，当输出电压为3 v 时， 它的效率仅为6 0 。若一个l d o 的输入电压为3 3 v ，输出电压为3 v ，那么它 的效率为9 1 ，接近于某些开关稳压器的效率。 开关稳压器的效率很高，但在应用中也有自身的局限。如图1 2 所示的开关 电源应用电路，电路中需要开关管和电感，这些器件都会占用很大p c b 的面积 【3 】【4 】。另外，开关电源会产生e m i ( e l e c t r o n m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 干扰，而开关 电源的输出电压纹波和开关噪声也不适合应用在对低噪声性能要求很高的射频 电子系统中。 v m ”s 6 1 0 3 0 j 一 i n t e r n a if 纪 lr 1 i r i = 1 0 0k 2 1：i ，h ， l l 1 i 肆 嘏1 辛。 i f b 南 ；r 2 个一上 图1 2t p s 6 1 0 3 0 开关调整器的应用电路 瑶 c c l d o 恰恰能弥补开关稳压器的这些缺陷，如图1 3 所示【5 】，l d o 应用电路只 浙江大学硕士学位论文 需要外接一颗电容就足够，而全片上集成l d o 甚至可以不用外接电容。另外l d o 采用线性调整输出电压，没有输出纹波，自身的工作噪声也很低。 图1 3t p s 7 3 0 2 8 线性调整器的应用电路 为了发挥l d o 和开关稳压器各自的优点，如图1 4 中的电路结构，在某些 设计中采用在开关电源电路的输出端串联一个l d o ，以便使输出电压具有低的 输出纹波和低的输出噪声旧。 图1 4 开关调整器与l d o 串联应用的电路 1 3s o c 技术的发展现状 在集成电路( i c ) 发展初期，电路都从器件的物理版图设计入手，后来出现 了i c 单元库( c e l l l i b ) ，使i c 设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使得 电路和逻辑设计人员可以直接参与i c 设计，极大地推动了i c 产业的发展。但i c 并不是最终的电子产品，它只有被装入整机系统才能发挥它的功能。通常i c 被 焊接在印刷电路板上以应用在整机系统中。但由于p c b 板与i c 之间的连线延迟 以及p c b 板的可靠性限制，整机系统的性能受到很大的限制。随着电子系统向 4 浙江大学硕士学位论文 高速度、低功耗、低电压和多媒体化、网络化、移动化的发展，系统对电路性能 的要求越来越高，传统的i c 设计技术已经无法满足电子系统对性能的要求。 同时，由于i c 设计工艺技术水平的提高，集成电路的规模越来越大，复杂 程度越来越高，已经有可能将整机系统集成为一个芯片，目前已经可以在一个芯 片上集成1 0 8 1 0 9 个晶体管。正是在整个需求和技术发展的推动下，出现了将整 个系统集成在一个i c 芯片上的系统级芯片，简称s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 7 。 s o c 中的一个重要技术就是p 硬核模块库，现在已有c m o s 的c p u ， d r a m ，s r a m ，a d ，d a 等硬核应用于s o c 开发。这些口基于工艺的物理 设计，与工艺相关，并经过工艺验证。将来还将有电源管理、r f 收发电路等口 硬核大量应用于s o c 设计。 微电子技术从i c 向s o c 转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术 发展的必然结果。目前，s o c 技术已经展露头脚，已有大量基于a r m 指令架构 的s o c 芯片方案出现【8 1 ，图1 5 为一个典型的a r m 架构的s o c 系统。另外m t k 公司及华为海思公司的s o c 手机芯片，已经大规模商用。2 1 世纪将是s o c 技 术真正快速发展的时期。 图1 5 基于a r m 指令架构的s o c 结构 浙江大学硕士学位论文 1 4 全片上集成i _ d o 的优点 片上系统( s o c ) 的发展推动了全片上集成l d o 的设计需求。s o c 处理器 实现了在单芯片上整合多种功能，如中央处理器、模拟与数字基带处理器、r f 收发电路等。多个功能模块带来了多档电源供电的需求【9 1 。 在s o c 系统中，有些场合中某几个模块需要独立工作在不同的电压下，并 且有些模块对于电源的噪声具有特定的要求。此外，s o c 芯片大多用于嵌入式 系统，很注重功耗管理，有些模块在不工作时，将被关闭供电电源。如图1 6 所 示，这样就需要有多个l d o 为系统中的几个模块单独供电。 图1 6 多个l d o 为s o c 内部模块供电示意图 将l d o 集成在片内可以有效精简电源模块的面积，并且去掉了外部电容后， 可以节省芯片引脚并节省p c b 板的面积。 去掉外部电容后，全片上集成l d o 需要解决瞬态响应的问题。因为s o c 系 统工作负载状态频繁变化，例如f l a s h 、s r a m 的读写操作。随着高速逻辑操 作，负载电流也随之迅速变化，需要l d o 在几十纳秒内满足负载电流跳变的需 求【1 0 1 。所以全片上集成电路在实现高集成度的同时还需要提出一种新的策略来 实现良好的瞬态响应性能，使l d o 电路能够适用于s o c 系统上。 浙江大学硕士学位论文 1 5 论文的主要工作 本文第二章介绍了低压差线性稳压器( l d o ) 的基本工作原理，及低压差线性 稳压器设计中一些性能参数的定义及其与系统性能的关系。然后介绍了传统外接 电容式l d o 的频率响应特点，并详细介绍了一款将补偿电路集成到片内的l d o 的设计原理和流片测试结果。接着提出了全片上集成l d o 设计中在频率补偿和 瞬态响应能力提升上的设计难点，并在其中穿插介绍了当前的技术发展情况。 第三章首先从系统的角度对本次设计进行了详细地介绍，并明确了系统设计 的指标。然后具体介绍了各模块的电路实现。主要分析了全片上集成l d o 的内 部补偿实现，并提出了瞬态响应能力提升的方案。另外详细介绍了系统的主要模 块，如误差放大器，带隙基准电压，过温保护，过流保护，高精度电流偏置，使 能模块等。在对这些模块进行研究、分析和设计的同时，也给出了各模块的仿真 结果，验证了设计的正确性。 第四章给出了系统的直流、瞬态、电源抑制比等仿真结果，仿真结果表明， 本次设计的全片上集成l d o 基本实现了最初的设计目标。 在第五章中总结了本次设计的研究成果，并对未来的工作进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 2 设计分析 2 1i d o 的工作原理和拓扑结构 图2 1 所示为典型的l d o 系统框图。功率调整管m p 是个共源极接法的p m o s 管，用来提供输出电流。输出电压经由分压电阻r 1 和r 2 进行分压，并把检测 到的电压值同基准电压进行比较。比较得到的误差信号通过误差放大器放大，来 控制功率传输管的栅极，以此来调整功率输出管的输出电流。 当l d o 的输出电压变低时，输出电压分压之后的电压变低，误差放大器的 输出电压也变低，控制p m o s 调整管m p 的栅源电势差变大，使得输出电流变 大，然后输出电压升高，实现了稳定输出电压的功能。同理，当输出电压变高时， 通过l d o 的反馈环路也能稳定输出电压。这是一个负反馈的过程，通过负反馈 环路，可以得到稳定的输出电压【l l 】。由于l d o 反馈环路的增益很大，一般都设 计在4 0 d b 以上。我们就可以认为，误差放大器的两个输入端的电位是相同的， 所以可以得出，输出电压仅仅和基准电压的值以及分压电阻的比值有关。 输出电压的值为： v o u t - - 腰学 图2 1 典型的l d o 电路原理图 浙江大学硕士学位论文 l d o 的稳压作用主要表现在以下三种情况：输入电压变化，负载电流变化， 输入电压负载电流同时变化。 一、输入电压变化 当输入电压变高时，假定调整管的栅极电压和负载电流不变，则处在饱和区 的调整管的v g s 电压变大，输出电流变大。当负载电流恒定，多余的电流向输 出电容c l 充电，导致输出电压变高。变高的输出电压信号经过电阻网络分压后， 与基准电压比较，使误差放大器输出变高，拉低调整管m p 的输出电流，从而稳 定输出电压。同理，当输入电压变低时，也能通过反馈环路的控制，使调整管 m p 的栅极电压变低，使输出电流跟踪负载电流，从而实现在输入电压变化的情 况下稳定输出电压。 二、负载电流变化 当负载电流变大时，假定输入电压和调整管的栅极电压不变，则输出电容 c l 要放电来维持负载电流，输出电压变低。变低的输出电压信号经过电阻网络 分压后，与基准比较，使误差放大器输出变低，从而使调整管m p 输出更大的电 流，满足负载的要求。同理，当负载电流变小时，通过反馈环路的控制，使调整 管的栅极电压升高，减小了调整管的输出电流，使输出电流跟踪负载电流，从而 实现在负载电流变化的情况下稳定输出电压。 三、输入电压和负载电流同时变化 输入电压和负载电流同时变化时的稳定方法是上述两种输出电压调整方法 的综合。只要l d o 的负反馈环路稳定，l d o 就能实现稳定输出电压不随输入电 压和负载电流的变化而变化的功能。 2 2l d o 的主要性能参数定义 低压差线性稳压器( l d o ) 的主要性能指标有：负载调整率( l o a d r e g u l a t i o n ) ，线性调整率( l i n er e g u l a t i o n ) ，输入输出电压差( d r o p o u tv o l t a g e ) ， 浙江大学硕士学位论文 最大负载电流( m a x i mo u t p u tc u r r e n t ) ，接地电流( g r o u n dc u r r e n t ) ，电源抑制 比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) ，瞬态响应( t r a n s i e n tr e s p o n s e ) 。 v i n v r e f 图2 2 输出负载电流的l d o 工作原理图 ii o a d 图2 2 是一个典型的l d o 向负载输出电流的电路图，用一个p m o s 管做为 功率调整管。i l o a d 是负载电流，r o - p a s s 是从输出端口看到的p m o s 调整管的 电阻值，设e a 的放大倍数为a ( s ) ，p m o s 管的跨导为g m p ( s ) 。 下面将分别分析各个性能指标的影响因素。 2 2 1 负载调整率 负载调整率是用来描述l d o 在整个负载范围内负载电流变化时输出电压的 变化量。 图2 3 所示为低压差线性稳压器输出电压和负载电流的关系曲线。负载电流 变大，输出电压会逐渐降低，与低负载电流时的输出电压存在误差。 通常负载调整率的定义为： l o a d r e g u l a f i o n - 竽1 0 0 ( 2 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 图2 3 输出电压随负载电流变化的曲线 当l d o 的负载电流发生变化时，输出电压随之变化，电阻网络采样到输出 电压的变化，然后通过负反馈网络来调节功率调整管的栅极电压，使之输出相应 的电流。输出电流与调整管栅极电压的关系为1 2 1 ： 厶耐= 互1 行巳譬( 玩一圳2 ( 3 ) 其中i l o a d 表示负载电流，胁c o x 是p m o s 传输管的工艺参数，v t h 是p m o s 管的阈值电压。v g a t e 是当负载电流为i , o 龇l 时p m o s 调整管的栅极电压。 两边做微分得到： 龇a d - - - 行已孚( 一一) ( 4 ) 又可计算得p m o s 调整管栅极电压的变化为： 叫s ) 熹 ( 5 ) 所以可以得到 地耐一一巳等( 一玩一川熹帆r ( 6 ) 从这个等式我们可以看到，l d o 的负载调整率主要取决于l d o 反馈环路中 e a 运放的放大系数，如果该运放具有很大的放大系数，那么l d o 的负载调整 率就很小，输出电压精度很高。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 线性调整率 线性调整率描述的是输出电压受输入电压的影响。图2 4 所示为输出电压随 着输入电压变化的关系曲线。一般输出电压随着输入电压的上升而上升。 图2 4 输出电压随输入电压变化的曲线 线性调整率的表达式为： 伽一r e g u l a t i o n ：矿坐丢1 0 0 ( 7 ) 一 ( 一) v7 其中，av 是指在整个输入电压范围内，输出电压的最大值和最小值之间的 差。矾指的是最小输入电压，y 池是指最大输入电压。 当输入电压变化时，如果负载电流1 1 0 a d 不变，则v g 蹴需要变化，得以在新 的输出电压值下输出同样的电流值。 根据公式( 3 ) 我们可以看到，当v i n 变化了av i n ，为了保证输出负载电流的 不变，需要如下条件 a v g a t e = a & ( 8 ) 而 = ) 熹玩埘 ( 9 ) 所以可以得到 浙江大学硕士学位论文 = 彳( s ) 石 i 圪埘 ( 1 0 ) 、7 r l + 尺2 vv ， 从这个等式我们可以看到，l d o 的线性调整率与负载调整率一样，主要取 决于l d o 反馈环路中e a 运放的放大系数。如果该运放具有很大的放大系数， 那么l d o 的线性调整率就很小，输出电压的精度受输入电压的影响就小。 2 2 3 电源抑制比 电源输入的噪声信号也会影响输出电压的性能，电源抑制比描述的就是输入 电压的波动对输出电压的影响。与线性调整率、负载调整率不同的是：线性调整 率和负载调整率是描述系统大信号的特征，描述的是直流的响应；而电源抑制比 是描述小信号的特征，表示了输入电压的微小波动对输出电压的影响情况，描述 的是交流的响应。 图2 5 l d o 的p s r r 性能分析示意图 图2 5 ，显示了影响l d o 电源抑制比的几个部分【1 3 1 。其中a ( s ) 是运放的放 大倍数，h ( s ) 是运放的p s n a ，v ( s ) 是基准信号的p s n a 。r o - p a s s 是从输出端口 看到的p m o s 调整管的电阻值，p m o s 调整管的跨导为g m p ( s ) 。 输入电源的波动会从三个部分影响输出电压，第一，来自输出电源波动对于 e a 运放的影响；第二，来自输入电源波动对于基准电压v r e f 的影响；最后如果 输出负载电流固定，p m o s 调整管的栅极电压将随着输入电压等值变化。 浙江大学硕士学位论文 根据以上分析，当输入电压波动为v i n ( s ) 时，可以得到等式： i g m - p 瓦r 五o p a s s 彳。) ( y 。) 一页等薏圪+ 办( s ) + 耽，2 ( s ) = 圪埘 ( 11 ) 假设c m n 很小，则可以认为尺一巳r 1 。 经过整理后得到： v o u t - 堕坚g m 等pr 兰a 掣( s ( 1 2 ) 删) + 1 v 叫 由于l d o 的反馈环路具有很大的放大倍数，所以我们可以认为 g 硒荆1 。 简化后得到： v o u t = v + 筹+ 等( 1 3 一， 一 么( s )彳( s ) 将输入电源波动归一化后，可以化简为： v o u t = v + 筹+ 去 ， 么( s )彳( s ) ( 1 4 所以输出电压的干扰等于基准电压的p s n a 加上运放的p s r r ，再加上运放 放大倍数的倒数。 在射频电子之类的系统中，对于电源部分的抗干扰能力要求很高。应用于射 频系统的l d o 被要求具有高电源抑制比【1 4 1 。所以在高电源抑制比的l d o 的设 2 2 4 最大负载电流 作为电源调整芯片，l d o 能够提供比较大的输出电流，具有很强的带载能 力，能适应负载电流宽范围的变化。l d o 在全负载范围内均能提供稳定的输出 电压。l d o 芯片正常工作时的所能够输出的最大负载电流受到以下条件的限制： 首先，从大信号分析来看，根据公式( 3 ) ，最大负载电流受输入电压v i n 的 1 4 浙江大学硕士学位论文 值和p m o s 功率调整管的宽长比的限制。 其次，在l d o 工作时，功率调整管上消耗的功率为 p p a s s = ( 一圪们) i l o d ( 1 5 ) 当输入输出的压差固定，如果负载电流很大，就意味着功率调整管上消耗了 很大的功耗，会导致功率调整管发热，严重时甚至会烧毁芯片。所以最大负载电 流还取决与功率调整管所能承受的最大发热功率。 另外，除了以上的大信号分析，从小信号分析考虑，由于l d o 的补偿问题， 在不同的负载条件下l d o 的补偿环境各不相同。如果负载电流过大，l d o 的补 偿电路可能无法同时适用于轻载和重载的工作条件，导致l d o 输出电压的不稳 定【1 5 】。一般应用于便携式电子系统的l d o ，最大负载电流为2 0 m a 2 0 0 m a 。 2 2 5 接地电流 l d o 工作时会消耗两部分电流。第一部分电流通过功率调整管提供给外部 负载作为负载电流，另一部分是指l d o 本身工作消耗的电流。接地电流就是指 这第二部分电流的大小。 l d o 自身的功耗为 p l d o = v i 一i o 接地电流越小，l d o 自身消耗的功耗越小， 传递到负载，提高l d o 传输功率的效率。 l d o 的传输效率公式为： =丝垡10070 0 = 一 。 ( 厶甜+ i o ) ( 1 6 ) 这样可以最有效地把电源能量 ( 1 7 ) 2 2 5 输入输出电压差 输入输出电压差( d r o p o u tv o l t a g e ) 是指输入电压和输出电压之间的最小电 压差。也就是l d o 正常工作时功率调整管所能承受的最小源漏电压。因为通常 功率调整p m o s 管工作在饱和区，所以源漏之间的电压最小值为调整管的过驱 浙江大学硕士学位论文 动电压，而不能无限小下去。这样才能保证足够的环路增益，用以保证l d o 输 出电压的精度。 根据公式： 死耐= 矿1c o x l v o v 2 ( 1 8 ) 最小的输入输出电压差取决于l d o 的最大负载电流，功率传输管的宽长比。 在某些l d o 设计中，为了拓展低压差线性稳压器的带载能力，或者减小功 率传输管得面积，而让功率调整管工作时进入线性区，也是让其处在浅线性 区，输入输出电压差仍基本取决于以上两个因素。 同时，因为功率调整管要流经很大的负载电流，从功率传输管上的功率表达 式 e p a s s = ( 玩一v o 埘) h o o d ( 1 9 ) 可以看到输入输出电压差越大，在一定的负载电流情况下，功率传输管上的 功耗越大，这是我们不希望看到的。 从公式( 1 7 ) 可以看到，尽量小的输入输出电压差，可以有效提高l d o 的 传输效率。当前，像t i 公司的t p s 7 3 0 2 8 的l d o 芯片，输入输出电压差仅为 1 2 0 m y 。当输出电压为2 5 v 时，l d o 的传输效率可以达到9 5 。 2 2 6 瞬态响应 图2 6 为l d o 的瞬态响应原理图。当负载电流突变时，由于l d o 的反馈环 路存在延迟，因此无法迅速地作出响应，所以输出电压会出现欠压或过冲的超调 量，需要一段调整时间后输出电压才会慢慢恢复1 6 1 。 1 6 浙江大学硕士学位论文 v r e f v i n 图2 6l d o 的瞬态响应性能分析示意