（电路与系统专业论文）wsn节点射频芯片中基于cmos工艺的ldo设计.pdf

i i i i iiil uli ii lu i illi 17 5 3 5 3 4 d e s i g no f l d oba s e do nc m ost e c h n o l o g yf o r w s nr f c h i p ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y h u a n g y a n l i s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rf a nx i a n g n i n g 一一 i n s t i t u t eo fr f & 0 e i c s s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g ，p r c h i n a j a n u a r y , 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 童托两 知l o 。口| 触，v 7 期：2 q ! q ! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 童耗诵 研究生签名：董抱匦导师签名：撕 1 疋 l h po 。 日 期：2 q ! q ：! 摘要 摘要 随着信息时代的来临，无线传感网络( w s n ，w t r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 因为其巨大的应用前景 而受到学术界和工业界广泛的重视，被认为是二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。射频前端模 块作为无线传感网络节点的重要组成部分，具有较高的研究价值。对应用于射频前端中的稳压电源电 路的研究同样具有一定的实际应用价值。在众多的电源管理技术中，l d o ( l o wd r o p o u tv o l t a g e r e g u l a t o r ) 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。因此，l d o 线性稳压器是一种比较好 的选择。 本论文首先对l d o 线性稳压器进行概述和分类，系统介绍l d o 的组成和工作原理，对l d o 线 性稳压器的性能影响因素进行了详细的分析。l d o 电路采用0 1 8 $ t mc m o s 工艺流片。在介绍l d o 原理及主要设计指标的基础上，详细论述了基于o 1 8 9 mc m o s 工艺的l d o 电路设计，包括带隙基 准电路、误差放大器及l d o 的补偿电路、功率管等部分。其中，针对带隙基准源的启动问题和l d o 的稳定性作了重点研究，并给出合理的解决方案。文中给出了电路前仿真结果与分析、版图设计关 键点和后仿真结果与分析。后仿真结果表明：电源电压2 1 v 到3 6 v 的变化范围内，输出电压稳定 在1 8 0 0 v ：温度从- 4 0 。c 变化到8 5 。c 时，温度系数为5 6 p p m o c ；电源抑制比能达到6 0 d b 。满足设 计指标要求。 论文最后给出了l d o 电路芯片的测试验证，测试结果表明：l d o 基本达到设计指标，可以正 常工作，但是其中带隙基准源在高压( 3 v 以上) 下不能完全正常工作。文中根据芯片测试结果对电 路设计提出了改进方案，给出了后仿真结果并送交了流片，待流片回来后进一步测试验证。 关键词：电源管理；低压降线性稳压器；误差放大器：带隙基准源：p m o s 调整管 东南大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t 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 ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i so n eo ft h em o s t s i g n i f i c a n tt e c h n o l o g i e si nt h e2 1s tc e n t u r y f o ri t sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t , t h ea c a d e m i aa n di n d u s t r i a l c i r c l e sp a ym u c ha t t e n t i o nt oi t t h er ff r o n t - e n dm o d u l ef o rt h en o d eo fw s ni st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t o fh i g hr e s e a r c hv a l u e a n dt h er e s e a r c ho nt h ev o l t a g er e g u l a t o rw h i c hi sa p p l i e dt ot h er ff r o n t - e n da l s o h a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e 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 e r 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 i g hp s r r , l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，l o w n 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 tr 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 d i sf a s t e r s o ，l d oi sag o o dc h o i c e i naw i d e rr a n g eo fp o w e rs u p p l y , l d oc a nr e a l i z es t a b l ev o l t a g e o u t p u t , a n dh a st h eb e t t e ra b i l l t yo fc u r r e n td r i v e f i r s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e sa n ds o r t st h el d o s ，s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e a n dc o m p o s i t i o no f l d o i l l u m i n a t e sa n dd e r i v e st h ep e r f o r m a n c ef a c t o r so fl d o i ti sd e s i g n e di no 18 i u n c m o sp r o c e s s t h ep r i n c i p l ea n dt h em a i nc h a r a c t e r so ft h el d oa r ei n t r o d u c e d a n dt h ed e t a i l so ft h e l d oc i r c u i td e s i g na r ed e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h eb a n d g a pr e f e r e n c e ，t h ee r r o ra m p l i f i e r , t h e p o w e rt r a n s i s t o r , t h ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ta n ds oo n a m o n gt h e m , t h eb a n d g a pr e f e r e n c es t a r t u pp r o b l e m a n dt h es t a b i l i t yo fl d oa r ek e yr e s e a r c h ，a n dr e a s o n a b l es o l u t i o n sa r eg i v e n t h er e s u l t so ft h ef r o n t - e n d s i m u l a t i o na r eg i v e no u ta n da n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h ec r i t i c a lp o i n t so ft h e l a y o u ta r ep r e s e n t e d ，a n dt h ep o s ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e no u ta n da n a l y z e d , t o o t h er e s u l t so fp o s t s i m u l a t i o ni l l u s t r a t e d t h a tw i t ht h ep o w e rs u p p l yf r o m2 1 vt o3 6 v , t h eo u t p u to fl d oi s1 8 0 0 v , t h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fl d o i s5 6 p p m o cw i t ht h et e m p e r a t u r ei nr a n g eb e t w e e n - 4 0 0 ca n d8 5 0 c ，a n d p s r r ( p o w e r - s u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) c a nr e a c h6 0 d b t h er e s u l t so fc h i pt e s ta l eg i v e ni nt h el a s tc h a p t e ro ft h et h e s i s ，a n dt h et e s t si l l u s t r a t et h a tl d ot a i l w o r kn o r m a l l 5b u tt h eb a n d g a pr e f e r e n c eh a sap r o b l e ma th i g hv o l t a g e i nt h i sp a p e r , t h ei m p r o v e m e n t s u g g e s t i o n so ft h ec i r c u i ta l ep r o p o s e df o rt h i sp r o b l e m a n dt h ep o s ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n i th a s b e e nt a p e d0 u t w a i t i n gf o rn e x tt e s t k e y w o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ；l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ；e r r o ra m p l i f i e r ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；p m o sp o w e r p a s st r a n s i s t o r i i i 东南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目j 素v l 宿略语v i i 第l 章绪论l 1 1课题背景1 1 2 选题意义l 1 3国内外研究状况2 1 4 本文主要工作2 第2 章l d o 线性稳压器概述及结构分析_ 一5 2 1l d o 简介5 2 2l d o 工作原理。5 2 3l d o 设计指标参数8 2 4l d o 稳定性分析1 2 2 4 1l d o 的频率响应1 2 2 4 2l d o 的补 尝1 3 2 5小结1 6 第3 章l d o 各模块设计及前仿真。17 3 i 误差放大器的设计1 7 3 1 1 误差放大器的功能概述1 7 3 1 2 误差放大器的主要性能参数1 7 3 1 3 误差放大器的结构1 8 3 1 4 误差放大器的电路设计1 9 3 1 5 误差放大器的前仿真2 7 3 2 基准源的设计2 9 3 2 1 带隙基准源的原理2 9 3 2 2 带隙基准源的结构3 1 3 2 3 带隙基准的主要性能指标3 4 3 2 4 带隙基准的前仿真结果3 5 3 3 功率管的设计3 8 3 4 ，j 、结3 9 第4 章l d o 线性稳压器的整体前仿真4l 4 1 c c 分析41 4 1 1 温度特性仿真4 l 4 1 2 电源d c 特性仿真4 2 4 2 a c 分析4 3 4 3 瞬态分析4 4 4 3 1 电源上电l d o 启动过程仿真4 4 4 3 2 负载瞬态特性仿真4 6 4 4 ，j 、结4 7 第5 章l d o 线性稳压器版图及后仿真4 8 5 1 版图设计综述4 8 5 1 1 版图设计规则4 8 v v i 缩略语 缩略语 英文简称英文全称中文全称 b i c m o s b i p o l a r - c o m p l e m e n t a r ym e t a l - - o x i d e s e m i c o n d u c t o r 双极性与互补型金属氧化物场效应管 c m o s c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r互补型金属氧化物场效应管 c m r r c o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i o 共模抑制比 e d ae l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 电子设计自动化 e s r e q u i v a l e n t - s e r i e s - r e s i s t a n c e 等效串联电阻 i e e ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s 电气与电子工程师学会 l d ol o wd r o p o u tr e g u l a t o r 线性低压降稳压器 m cm e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m e m s m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i s ms y s t e m 微机电系统 m o s f e tm e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f i e c t t r a n s i s t o r 金属氧化物场效应管 n m o s n e g a t i v e - - c h a n n e lm e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r n 型金属氧化物场效应管 p c bp r i n tc i r c u i tb o a r d 印刷电路板 p d a p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 掌上计算机 p m o sp o s i t i v e c h a n n e lm e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r p 型金属氧化物场效应管 p s r r p o w e r - s u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 电源抑制比 s o c s y s t e mo nc h i p 片上系统 t s m ct a i w a ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o r p o r a t i o n 台湾集成电路制造股份有限公司 w s nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 无线传感网 v i i 东南大学硕士学位论文 v i i i 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统( s o c ，s y s t e mo n c h i p ) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) ，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变 革。无线传感网是由大规模数量的、微型的、可随机布放的、低功耗、低成本的节点及后台软件组 成的信息系统。无线传感网技术是在综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信 技术、分布式智能信息处理技术等基础上产生的。大规模的低功耗、低成本、多功能的微型无线传 感器通过协同合作、数据收集、处理和特有的无线通信手段共同组成了无线传感网络，从而产生了 一种全新的信息获取和处理模式；无线传感网技术是i t 行业第四次产业革命的关键技术，也是继 i n t e r n e t 之后的新的网络发展方向，该技术于2 0 0 6 年被列入国家中长期发展规划，无线传感网也 称为无线微网1 1 1 【2 】1 3 1 。 无线传感器网络s o c 节点从结构上可划分为射频接收机模块，数字基带处理模块，电源管理模 块。电源管理模块为数字基带以及射频接收模块提供稳定可靠的电源，因而在整个系统中有着举足 轻重的作用。目前，d c d c 的电源管理模块有两种，一种是开关稳压器电源，另外一种是线性稳压 器电源。两者各有其优缺点，开关稳压器电源的效率高、允许较大的输入输出电压差，但噪声比较 大，结构复杂；线性稳压器电源具有高质量的输出电压、良好的瞬态特性、高的电源抑制比、外围 电路简单以及低成本等特点在电源管理领域有着广泛的应用，而其不足之处在于效率低、大功率器 件需要散热器，并且其输出电压只能小于输入电压。结合本项目的要求，综合考虑之后，决定采用 l d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 线性稳压器。 本课题是在上述背景下产生的，采用t s m co 1 8 9 m c m o s 工艺设计并实现，能为射频收发机提 供低功耗、低噪声、大输出电流及输出稳定可靠的l d o 电源。电源电压在2 1 v 3 6 v 的变化范围内， l d o 输出电压为1 8 v ，输出最大电流为1 0 0 m a ，静态电流小于1 0 0 r t a ，并且对电源电压的扰动有 比较高的抑制能力，电源抑制比p s r r ( p o w e r - s u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 保持在6 0 d b 左右，温度系数 小于1 0 p p m * c 。 1 2 选题意义 无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各 种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟 踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。从无线传感网的技术特点分析， 无线传感网可以使工业更加自动化，使人们的生活更加舒适，使整个世界以及世界上切事物都变 得更加智慧化，将带动一类崭新的市场。无线传感网络可以在长期无人值守的状态下工作，在军事 国防、工农业、城市管理、智慧交通、政府应急、设施监测、智慧家庭、智慧楼宇、电网安全监控、 东南大学硕士学位论文 生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值、 巨大的实用价值和广阔的市场前景。市场对无线传感网络的射频芯片的需求是巨大的，而电源管理模块 在整个射频收发机当中具有极其重要的地位，因此对本项目的研究是具有极高的实用价值的【4 】f 5 】。 1 3 国内外研究状况 现代集成电路和电力电子技术的不断进步，使得电源管理技术在各种电子设备和系统中得到了 广泛的应用，对电源管理集成电路和模块的性能也提出了越来越高的要求，使得此类芯片和模块从 系统和电路设计、仿真、验证，到制造、测试都遇到了新的挑战。为了应对这种挑战和技术发展的 需要，国内厂商和国外厂商对电源管理模块都做了大量的研究和改进，为了满足设备对电源提出的 持续缩小尺寸、降低成本等苛刻要求，电源芯片厂商正尝试把线性稳压器、d c d c 转换器、p w m 控制器、l d o 和充电i c 等不同组件集成到单个器件上，以提供完整的电源解决方案。美国国家半 导体( n s c ) 的p o w e r w i s e 能源管理单元的系列产品中，就把l d o 、升压降压功能或m o s f e t 集 成在d c d c 内：此外，t i 也有款电源管理产品t p s 6 5 0 2 0 集成了三个具备集成f e t 的同步降压d c d c 转换器、三个线性稳压器以及一个1 2 c 通信接1 2 1 ，可实现全面的可编程性与内核电压的动态电压缩 放；意法半导体还把一个完整的u s b - o t g 模块和主流的存储卡接口，以及处理器电源监控和复位 监控组件集成到s t w 4 8 1 0 ，其中一个独立的d c d c 降压转换器在6 0 0 m a 下为处理器内核提供1 v 到1 5 v 电压，另一个为i o 功能和通用功能提供1 8 v 的电压。学术方面，近五年来，国内外在低 压差线性稳压器( l d o ) 方面的研究成果有： 2 0 0 4 年，c h a i t a n y ak c h a v a ，j o s es i l v a - m a r t i n e z 提出一种与传统频率补偿方法完全不同的l d o 的结构，采用单独的一个环路来进行频率补偿，从而来实现系统环路的稳定性【6 】；k a ew o n g 和d a v i d e v a n s 在2 0 0 6 年提出了采用0 1 3 p r oc m o s 工艺实现了应用于r fs o c 高电源电压抑制比，低噪声的 l d o ，在使用锂电池电源的条件下它能提供2 8 v 稳定的输出，并且2 0 k h z 时的p s r r 为6 5 d b ，1 0 0 h z 的噪声d , 于3 5 0 n v x i h z 【7 】；2 0 0 7 年台湾的j i a n n - j o n g c h e n ，f o n g - c h e n g y a n g 等人提出了一种增加 l d o 瞬态响应时间的双环路控制通道技术，采用0 3 5 p r oc m o s 工艺，并且不使用电容，在得到 1 5 0 m a ，1 2 v 输出的同时，保持l d o 环路的稳定1 5 1 ：近两年，g i u s t o l i s i ，g ，p a l u m b o ，g ，和s p i t a l e ，e 等人提出了一种利用电流放大器的密勒补偿技术，集成补偿电容为2 5 p f ，供电电压可以低到1 2 v ， 在负载电流为1 0 0 m a 时，压差为2 0 0 m v l 9 】：y a t - h e il a m 。w i n g - h u n gk i 提出一种快速响应的低压差线 性调节器，采用成本不高的0 3 5 9 mc m o s 来实现，利用低压、高速的先进电流镜来实现的高效电流 可调节的偏置，不需要补偿电容，负载电流在1 0 n s 时间内从o 衅变化至u s o r n a 时，输出电压仅仅变化 6 6 m v ，无负载时的静态电流为4 0 4 9 a 1 1 0 】。 1 4 本文主要工作 本论文课题来源于东南大学射频与光电集成电路研究所承担的国家8 6 3 计划目标导向类项目“无 线传感器网络嵌入式s o c 芯片及射频收发芯片设计”( 项目号：2 0 0 7 a a 0 1 2 2 a 7 ) ，研究应用于无线 传感器网络射频收发机的电源管理芯片l d o 线性稳压器。本论文是在分析了前期他人工作的基础上 2 第l 章绪论 进行的，针对其电路的启动问题和电路的振荡问题，进行分析、归纳和总结，并提出了改进电路设 计，最终完成了l d o 电路设计和芯片测试工作。 论文的工作主要分为三部分，第一部分是理论分析，第二部分是设计实践，第三部分为归纳总 结和展望。对理论研究部分做了较为详尽的推理和说明，根据理论分析与项目实际的结合，确定本 论文所采用的l d o 线性稳压器的电路结构。提出l d o 设计的重点、难点和关键点，并给出分析和归 纳总结，确定合适的电路模块。 采用t s m co 18 p mc m o s i 艺，使用c m e n c e ，h s p i c e 等e d a 仿真软件进行前后仿真，设计了 一种应用于无线传感器网络射频收发机，具有低静态电流，高电源电压抑制能力( p s r r ) ，低温度 系数和低输出噪声，较好线性调整能力和负载调整能力，输出电压为1 8 v ，典型输出电流为5 0 m a ( 最 大输出电流可达1 0 0 m a ) 的l d o 线性稳压器。 论文共分六章，内容安排如下： 第1 章包括论文背景，选题意义，国内外研究状况等方面。介绍无线传感器网络发展前景，l d o 线性稳压器的研究意义。 第2 章对l d o 进行概述，分析其工作的原理，介绍了l d o 设计的主要性能指标，并且对影响 性能的因素进行分析和讨论。 第3 章l d o 核心子电路模块包括带隙基准源电路，误差比较器电路，功率调整管。本章详细介 绍误差放大器，带隙基准源电路的设计，功率调整管的选择原则。最后给出误差放大器和带隙基准 的前仿真结果。 第4 章对l d o 整体进行仿真，给出l d o 前仿真结果。 第5 章首先介绍c m o s 工艺的版图设计规则和版图设计的细节问题，最后给出l d o 版图及后 仿真结果。 第6 章给出芯片测试结果并对结果进行分析，提出了改进的方法，给出了改进后的电路后仿 真结果。 总结对本论文的工作进行总结，对下一步的工作做出展望。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章l d 0 线性稳压器概述及结构分析 第2 章l d o 线性稳压器概述及结构分析 本章首先对l d o 作了简要的介绍，分析了l d o 线性稳压器的基本工作原理和系统结构原理图， 然后详细讨论了它的几个典型设计指标参数，包括调整管的漏失压降、静态电流、转换效率、线性 调整能力、负载调整能力、负载瞬态响应特性、电源抑制能力和输出精度的影响因素等方面。 2 1l d o 简介 线性稳压器，也称低漏失线性稳压器，是一个自功耗很低的微型片上系统。它是一种降压型电 压调节器，可将一宽输入范围内的电池电压转换成我们所需要的稳定电压。线性稳压器不仅成本低， 噪声低，静态电流小，而且需要的外围组件也很少，通常只需要一两个旁路电容。如果输入电压和 输出电压很接近，最好是选用线性稳压器，可达到很高的效率。线性稳压器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，因此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。同时，它在 调整组件上的压降非常低，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，自从9 0 年代出现线性稳压 器以来，己从最初的输入输出压差降至目前的1 0 0 m 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。自线性稳压 器问世以来，人们己对它进行了大量的研究和改进线性稳压器的产品层出不穷，性能越来越优越， 应用也越来越广泛。 2 2l d o 工作原理 线性电压变换器实际上等效为一个恒压源，当负载发生变化时，通过调整内部线性电阻的阻值， 而保持输出电压恒定。整个系统工作过程为：当系统上电后，电路开始启动，基准电压源电压快速建 立，为系统内部提供一个具有高精确度和良好热稳定性的基准电压。当负载甩或输出电流变化时， 通过采样电阻得到一个输出回馈电压。回馈电压连接到误差放大器的同相输入端，与连接在误差放大 器反相输入端的基准电压进行比较，通过比较放大器将误差信号放大后控制调整管的工作点作一定 的变化，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定的电压值上。其等效示意图2 1 所示： i 一一一一一 l i i i l i i l ： v - i i l i l i i 一一 图2 1 线性电压变换器等效示意图 在图2 1 中，内部电阻r i l l 必须远远小于外部负载电阻皿( 尾。“尺l ) ，从而保证外部负载在一定范 5 东南大学硕士学位论文 围内变化时，输出电压保持恒定。此时，输出电压由式( 2 1 ) 确定： 叱彘叱西1 r o 在空负载条件下随= ) ，最大可能输出电压就等于输入电压( 。m 炉) ， 输出电压减小，从而产生输出电压误差：。在带有负载( l o a d ) 的情况下， 达式为： = 气罴半川。 ( 2 1 ) 随着负载的减小， 输出电压误差的表 ( 2 2 ) 用代替m x ，- l o a d 用式( 2 1 ) 代替，输出电压误差可通过电阻和皿之比来表示： e v o2 赢灯0 0 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可见，输出电压误差随着负载电阻甩的降低而升高。为了使输出电压误差率最小， 我们需要引进一个回馈电路，使得恒压源在正常工作时，可以实时检测负载电阻的变化，从而调整 电源内阻凰，使其与负载的比值为一常数，即如爿跛l ，以完成恒压的功能，于是图2 - 1 的线性电 压变换器示意图变换为图2 - 2 ： 。r l o a d 图2 2 和风线性关系示意图 根据图2 2 ，典型的线性电压变换器电路主要由基准电压源及其启动电路、误差放大器、调整组 件、采样电阻组成，其结构框图如图2 3 所示： 6 第2 章l d 0 线性稳压器概述及结构分析 图2 - 3l d o 线性稳压器系统结构图 1 、基准电压源 基准电压源是整个电路工作的基础，一般为带隙式基准电压源。带隙式基准源能在比较低的电 压下工作，能够提供比较精确的基准电压，温度和电源变化对其影响很小。带隙式基准源在- 4 0 到 8 5 。c 温度范围内的温度系数可达1 0 p p m * c 。 2 、误差放大器 误差放大器是将输出回馈回来的电压忙如( 硒+ 如) 和基准电压k 进行比较并放大其误 差。该误差电压通过调整组件( p m o s ) 调节输出电压，直到由输出回馈的电压和基准电压舶电压 差为0 为止。设，则 ：生粤 ( 2 4 ) 叫 凡 心 3 、回馈网络 回馈网络将输出电压回馈到误差放大器，和基准电压啪行比较。由于基准电压已设定 为一固定指，输出电压必须通过电阻分压，使其回馈回来的电压和f 相等。 4 、调整组件 调整组件( p m o s ) t 作在线性区，类似于一个可变电阻。当由误差放大器输出到其栅极的电压增 大或减小时，p m o s 的导通电阻相应的增大或减小，从而利用p m o s 漏源电压的变化来调节其输出电 压，保持输出电压稳定。 7 2 3l d o 设计指标参数 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和稳定性等。下面我们分别作详细介绍。 l 、漏失电压， 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p o m 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 - 4 所示： 图2 4l d o 的输入输出特性 p o u t = 一圪岫g l l 。 ( 2 5 ) 在临界状态，p m o s 调整管工作在线性区，可等效为串联电，若负载电流为厶嘁，贝u l d o 线 性稳压器的漏失电压又可表示为： 圪州= k ( 2 6 ) 在实际应用中，由于流过功率调整管的电流很大，我们应尽可能降低功率调整管临界工作点时 的导通电阻，以减小漏失电压玩唧m 。 2 、静态电流l 静态电流定义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。静态电流由偏置电流 ( 提供给基准源、采样电阻和误差放大器) 与调整管的驱动电流组成。 l = i 。一k ( 2 7 ) 为了得到最大的电流效率，减小内部电路的功耗，设计的静态电流值越小越好。 3 、转换效率 l d o 的转换效率受静态电流和输入输出压差的限制，定义为： 一t ，v o u t i r o u t 叼2 丽i 而 8 ( 2 8 ) 第2 章l d o 线性稳压器概述及结构分析 其中k 为输出电流，为输出电压，为静态电流，圪为输入电压。 在许多正常应用中，负载电流较低，这样静态电流就成为影响电池寿命的决定性因素。因此在 低电流负载条件的时候，静态电流是很重要的。另外当输出电流较大，则静态电流可以忽略 不计( 常为心量级) 。则k 厶，效率叩可近似为： 卵每= 牛= 卜警 ， 圪圪圪 、。 4 、负载调整率峨 负载调整能力是指当负载发生变化时，输出电压保持恒定的能力。负载调整率定义为： 弘挚1 0 0 i 啊， 1 ，。u t ”“ ( 2 1 0 ) 随着负载电流的增大，l d o 线性稳压器的输出电压逐渐降低。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，其值越小说明负载变化对输出电压的影响越小，l d o 的稳压能力 越强。如果误差放大器的开环直流增益为彳v d ，p m o s 功率调整管的跨导是g m ，那么可以将式( 2 1 0 ) 进一步表示成一种新的形式： 虬u t = 氐- ( 2 1 1 ) 2 彘叱 ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 2 ) 和( 2 1 1 ) 带入式( 2 1 0 ) ，整理得到式( 2 1 3 ) ，就得到稳压器负载调整率与误差 放大器，功率调整管，以及回馈网络之间的关系。 & ：丝：l 鱼 ( 2 1 3 ) 叫。g 。如 显然提高负载调整能力的关键是增大p m o s 的跨导g m 和误差放大器的开环直流增益4 v d 。 5 、线性调整率舭 线性调整能力是指当输入电压变化时，输出电压保持恒定的能力。当输入电压发生变化时，输 出电压也会随之发生变化。线性调整率反映t 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。 & = a v , , t x 1 0 0 l 一 ( 2 1 4 ) 若l d o 夕i - 接负载冠，其与回馈电阻只f 1 ，r f 2 并联，则等效电阻为： 如= ri l ( r + ) ( 2 1 5 ) 假设误差放大器的开环差模增益为彳v d ，功率调整管的跨导为g m ，以风。表示输入端到输出端的等 9 东南大学硕士学位论文 效电阻，则输入电压发生变化后，l d o 的输出可表示为： 圪小= k 。i ：一_ 叭= k 。i = ：三产页：一，。叭r 。 = k n j 睾与i g m 彳v a c 珞n k r ，r 蜘 。2 。6 ， 巩若菌一g 。a v d ( 彘一氏 r f i + r f 2 + g m a v d r e q r m 通常g m 如& 如 编讹，式( 2 1 6 ) 可以整理为： = 圪寿糕赢+ 警 对( 2 1 7 ) 式两边取微分得到： & = 麓= 瓦面1 历r n + 忑r q ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 由( 2 1 8 ) 得出：类似于负载调整率，要想提高线性调整率，要尽可能的增大误差放大器的开 环差模增勐v d 和p m o s 功率调整管的跨导g m 。然而，在增加误差放大器的开环直流增益的同时也 减小了环路带宽，这会对瞬态响应造成不利的影响。因而，在设计的时候要多方面进行综合折中考 虑。 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 l 及其寄生电阻氏 和旁路电容c b 的函数。旁路电容c b 通常与电阻+ 并联，其作用是提高负载的瞬态响应能力。 最大瞬态电压变化k 啪。为： ， 咖2 云：葛出+ q j ”