（电力电子与电力传动专业论文）单片式线性电源管理集成电路的设计.pdf

上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h eh i g h p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e ro fa l lk i n d so fe q u i p m e n t sa r em o r ea n dm o r e r e q u i r e d s ot h i sp u t sf o r w a r dh i g hr e q u e s tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e v o i t a g em a n a g e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) 。a n dt h ev o l t a g em a n a g e ri c h a sv e r ya m p li t u d em a r k e t ， t h es i n g l ec h i p1 i n e a rv o l t a g em a n a g e ri c h a sm a n ym e r i t ss u c h a sh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，s i m p l e rp e r i p h e r yc i r c u i t ，n os w i t c hn o i s e a n ds oo n t h e o b j e c t o ft h i sd i s s e r t a t i o ni s t o d e s i g n a s i n g l e l o w d r o p o u tv o lr a g em a n a g e ri c t h e r ea r et h r e em a i nc i r c u i t so nt h i s c h i p s u c ha s b a n d g a p r e f e r e n c e v o l t a g e ，c o m p a r a t o r a n d s l u g g i s hc o m p a r a t o r a l a t e r a l d o u b l e d i f f u s i o nm o sa n dp r o t e c tf u n c t i o nc ir c u i ta r e i n t e g r a t e do n c h i p c o o p e r a t i n gw i t hs i m p l ep e r i p h e r yc o m p o n e n t ，ap o w e rs u p p l yi s f o r m e d t h i sp r o j e c ti sc o m p l e t e d b ya d o p t i n gc o n v e r s ed e s i g nm e t h o d t h e l a y o u te x t r a c t i o n ，c i r c u i t d e s i g n a n ds i m u l a t i o nh a v e b e e n f i n i s h e d s i m u l a t i o no ft h ec i r c u i ti n d i c a t e st h a tt h ei ch a sa c h i e v e d o u re x p e c t a t i o n t h e l a y o u td e s i g na n dt h ep r o c e s so ft h el d m o sa r e a l s os i m p l ye x p l o r e d k e yw o r d s ：s i n g l ec h i p1 i n e a rv o l t a g em a n a g e ri c c o n v e r s ed e s i g n m e t h o d b a n d g a p r e f e r e n c e v o l t a g ec o m p a r a t o rs l u g g i s h c o m d a r a t o r 第1 i 页 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特剃鸯秘以标注和致谢的地方外，论文中不包含萁他入己发表 或撰写过豹磅究成果。参与蹙一工作的萁怨闲志对本磷究所傲懿任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人宠全了勰上海大学有关保髫、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 糅蜜的论文在麓密螽应遵守此簸定) 签名：垒题导师签名：垆丝日期：二理丝丝弘 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 第一章绪论 电源是一切电子设备的心脏。它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施 及日常生活等各个方面，是电子设备及机电设备的基础。它与国民经济的各个部 门紧密联系，在工农业生产中广泛运用，因此电源越来越受到人们的重视。般 来说电源的质量在一定程度上决定了电子设备的质量。尤其当今许多电子设备， 如精密的电子测试仪器，自动控制装置和计算机等，都要求直流电源电压稳定不 变，否则，将会造成测量和计算误差，甚至会根本无法工作。因此为了供给稳定 的直流电压，必须采用直流稳压电路 8 11 9 1 。 集成电路的迅速发展改变了电子技术的面貌，对一系列科学技术以及人们的 生活都发生了强烈的影响。从小规模s s i 、中规模m s i 、大规模l s i 到超大规模 v l s i 、甚大规模集成电路u l s i ，从单个芯片上集成几个、几十个晶体管到几百 万个、几千万个晶体管，从1 9 4 8 年巴丁发明第一个晶体管到目前的深亚微米理 论、片上系统s o c 。总之，在这个新世纪中，科学技术的巨大进步将使集成电路 产业得到更大的发展。 借助于微电子技术的迅速发展，电力电子学在近年来更是突飞猛进。电源箭 理i c 的发展依赖于微电子技术的发展，而同样电源管理i c 的发展对微电子技：术 的发展起到了积极的推动作用 8 1 2 4j 。随着s o c 时代的到来，人们可以将整个系 统集成到单一的芯片上，很显然，s o c 的发展将方便的提高系统的智能化程度， 从而提高电学性能且改善系统的可靠性，使电子系统尺寸更小，性能更高，成本 更低。电源管理i c 便是微电子技术与电力电子技术相结合的产物。 1 1 电源管理i c 的现状与应用 i c 产品在功率电子中的应用主要有两部份组成。第一类主要为分立器件， 主要由晶闸管、d m o s 及l d m o s 、i g b t ，m c t 等组成。由于它们本身具有功率能餐 大、能量损耗低、开关速度快等特点，因而在电力电子装置中得到了广泛的运 用。另一类得到广泛运用的i c 产品是模块化和功率集成电路( p o w e ri n t e g e r c i r c u l tp i c ) 。模块内部除主电路器件外，还包含相应的接口电路、保护电路 ( 含过流、过压及过热保护等) 以及驱动电路。尤其随着微电子技术的发展，新 第1 虹共6 6 “ 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 型m o s 器件及以此为基础的智能功率集成电路电路( s m a r tp o w e ri cs p i c ) 得 到了迅速的发展。它已经融功率半导体、微电子技术、信息电子技术及计算机技 术为一体，成为许多高新技术的基础产业。当微电子技术在走向系统集成的情况 下，s p i c 便发挥着越来越重要的作用。此外集成电源管理器由于具有使用方便 、成本低、体积小、性能良好，可靠性高等优点，因而发展较快，成为模拟集成 电路中的一个重要产品t o 】。 近几年来电源管理i c 在各个方面得到了广泛的应用，尤其在通信与计算机 邻域川。 在通信领域：通信工业对电源管理i c 的需求都在逐年的增长。尤其是手机对 电源管理i c 的需求尤为迫切。每部手机都要几块电源控制芯片。 在计算机及外设、数据通信领域：这也是一个高增长领域。计算机电源结构是 推动电源i c 的主推动力。便携式计算机的蓬勃发展也相应地带动了电源管理i c 的发展。 在消费类电子产品领域：如今有许多消费类电子产品( 包括数码相机、p d a 、 m p 3 等) 便携化的要求越来越高，因而对电源管理i c 的倚赖程度也越来越高。 安全有效的充电器、待机模式的采用以及为便携式产品争取更长的使用时间是 对电源管理i c 的驱动力。 在商用电源充电器领域：当前许多电子设备都采用商用电源和充电器作为前 端电源，因而电子设备的发展也促进了电源管理i c 的发展。追求高效和功率因 素校正增加了对电源i c 的需求。 总之，电源管理i c 的市场占有率必将在未来以高速增长。因此研究与开发 电源管理i c 有着十分重要的现实意义。 1 2 电源管理i c 的具体分类及主要产品、发展趋势 电源管理i c 包括 功率因数校正( p f c ) 预调器：此类i c 提供具有功率因数校正功能的电源输入 电路。 脉宽调s u 脉频调制( p w m p f m ) 控制器：p w m p f m 控制器为脉冲宽度脉冲频 率调制电路，用于驱动外部开关。 第2 页共6 6 页 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 d c d c 调制器：此类i c 包括升压降压调制器和电荷泵。 a c d c 离线调节器：a c d c 离线调节器内含低电压控制电路与高电压开关晶体 管。 线性调节器：线性调节器包括正向和负向调节器，以及低压差( l d o l o w d r o p o u t ) 调节器。 电池充电管理i c ：包括电池充电、保护及电量显示i c ，以及可进行电池数据 通讯的“智能”电池i c 。 当前市场上常见的电源管理i c 产品主要有：采用p _ i v m 控制工作方式的有 l i n f i n i t y 公司的s g l 5 2 4 ，r i c o h 公司r h 5 r h 系列、s i l i c o n i x 公司s 1 9 1 5 4 、 f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r 公司的f d s h 0 1 6 5 ，p o w e ri n t e g e r a t e 公司的t o p i i 系 列等；采用p f m 控制工作方式的有m a x i m 公司的m a x 7 7 0 7 7 l 7 7 2 7 7 3 ，s e i k o i n s t r u m e n t s 公司的s - 8 5 2 1 ；采用充电泵式的有m a x i m 公司的m a x 6 6 0 及m a x 6 8 0 、l i n f i n i t y 公司的l t l 0 5 4 等；采用线性调节器工作方式的有t i 公司t p s 7 3 0 1 q 和t p s 7 3 3 3 q 等、l i n f i n i t y 公司的l t l 0 8 3 等。 随着信息技术的不断发展，人们对各种设备的高性能、低功耗、便携式等要 求不断提高。这对电源管理i c 的发展提出了更高的要求。同样随着集成电路电 路设计水平的不断提高和工艺水平的发展，电源管理i c 也正朝着微型化、低功 耗化、高精度、低工作电压等方向发展i 。 集成化，微型化 近年来由于便携式设备的增多，对供电单元电路小型化的要求越来越迫切， 尤其是那些对体积、重量和效率非常敏感的电子系统。正由于市场需求的驱动和 技术的进一步发展，一系列新型的电源管理i c 不断出现。它们一般都集成一个高 压m o s f e t 或双极型晶体管以及一些附加功能( 自启动电路，保护电路等) ，因此大 部分产品大都以单芯片的方式出现。它带来的最直接的益处就是减d , 夕l - 围元件数 目，出此使电源变得更轻更小，同时也降低成本。 微型化封装 近年来便携式产品大多采用贴片式器件，电源i c 也不除外，主要有s 0 封装、 s o t 一3 2 封装、u m a x 封装、封装尺寸最小的s c 一7 0 封装等，正是由于这些封装形式 使电源管理i c 所占的空间越来越小。 第3 页共6 6 颤 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 微功耗 新型电源管理i c 的静态电流都很小( 一般为几十u a 至几百u a ) ，微功耗的 线型稳压器静态电流仅l u a 左右。此外，不少新型电源管理i c 有关闭电源控制端 的功能，在睡眠状态i c 自身耗电也仅在l u a 左右。 完善的保护措施 新型电源管理i c 都具有完善的保护措施，包括：输出过流限制、过热保护 等，使电源可以在各种情况下正常工作，不易损坏。 高输出电压精度 新型电源管理i c 的输出电压精度通常在2 4 之间；并且输出电压温度 系数较小：线性调整率一般为0 3 0 5 m a 。 低工作电压 由于系统中制作的工艺尺寸越来越小，工作电压也越来越低。近年来电池供 电的便携式系统使设计低电压模拟电路的要求越来越强烈。这一趋势给模拟电路 的设计带来了挑战，因为m o s 管闽值电压不会等比例减小。 1 3 线性电源管理i c 的简要介绍及基本结构 虽然近年来开关稳压器得到迅速的发展，但在一些极小功率电源中，线性稳 压器仍有很大的市场而且有着一定的历史。和相同功率的开关稳压器相比，它们 有较好的负载暂态特性、较小的开关噪声、结构简单且价格便宜的特点。正由于 这些特点，线性稳压器广泛地运用于那些未经调整的供电电压与经调整的电压非 常接近的场合，诸如自动化、便携式仪器、呼机及医疗设备等叫。按照调整管 的连接方式，线性稳压器可以分为串联稳压器和并联稳压器两大类。并联调整式 稳压器的调整元件与负载并联，通过并联元件等等效电阻的变化来保持输出电压 不变，但这类集成稳压器较少，现在大多使用串联调整式稳压器。串联稳压器按 照其功能大致可分为一般式、低压降式( l d ol o w d r o p o u t ) 和c m o s 式三大类 3 0 l 。 串联式集成稳压器主要由基准电压源、误差放大器和调整管三部分组成。图 1 1 为传统串联式集成稳压器的内部功能框图，此外还有一些辅助电路( 如保护 电路、偏置电路等) 。当输入电压v ，或输出电流i 。变化时，通过取样电阻给误 差放大器的反相输入端一个反馈信号，在与基准电压v 。比较，并经放大后， 第4 虹共6 6 贞 上海大学颈士研究生论文 单片式线性电源管理集成电路的设计 去控制调整元件的工作点作一定的变化，从而使输出电压v o 保持不变叭。 其调整过程简述为： ￥，圪鸭b 调整燹终魏毫蓬垮事1 v 。山- 一 由此可见，串联式集成稳压器可以瀚成是一个电压负反馈放大器，由误差放 大器和调整元终掏成基零放大器，来调敬羧入暾蓬受电源电压，基准电压为输入 信号，稳定的输出电压为输出信号，r ，r ：取样电阻为反馈网络。设由误差放 大器和调整元件构成的基本放大器的放大储数为a ，反馈系数为f = r ： ( r ；+ r ：) ，穰攒反绩羧大器豹灌论戋嚣英辍密鑫蓬秀： 、，一a 。 一i + a f 娃 图1 1 串联式集成稳压器的组成 在实际亳路中满足a f 1 ，所良寿： 。等( 掣) 它瓣输出嗽压只取次于基准电压和反馈系数，两与输入电愿和负载电流的大 小无关。 这耱电源管理i c 一般采弱b i c m o s 工艺寒实褒。袋弱b i c m o s 工艺豹伍点怒 可以使i c 即具有c m o s 器件的高输入阻抗、静态功耗低的特点又具有双极型器件 的跨导丈、速度快静特点，因两露甄餐弱更舔豹功率臻耗及较浚终速震，僵工艺 稍繁琐【l 】【1 ，】f 2 6 】。 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的发计 图1 2 为本文线性电源管理集成电路的基本结构，可以看到除了图1 1 中的 基准电压源、误差放大器和调整管三个基本功能块外，本结构图中增加了一个迟 滞比较器来完成一些辅助的功能。 叫d 图1 2 本文线性电源管理集成电路的基本功能框图【1 3 】 它的工作原理与图1 1 的工作原理基本一致，但为了满足一定的功能加入了 一一些特殊功能块与引脚，以下就此做一些分析。 在具体使用中为了使稳压器能实现正常的功能，s e n s e 引脚必须与o u t 引脚 相联，将外部采集到的噪声信号通过电阻分压器网络传输到比较器来形成电压负 反馈网络来调节输出；虽然r c 网络也能过滤掉噪声信号，但是一般并不使用这 种电路，因为它有可能引入振荡现象。 此处用p m o s 器件作为调整管，取代传统的p n p 管。之所以使用p m o s 器件来 传输电流，是因为它本身是电压驱动型器件，工作时的电流较低且在一定的负载 范围内电流值基本不发生变化，饱和压降小；而若用p n p 器件作为调整管，管子 的基极电流( i 。) 必然与负载电流( i 。) 成一定的比例关系( i 。= i 。+ b ) ； 此外p n p 器件还有一个缺点是当它进入低压差状态时，p n p 器件很容易进入饱和 状态，这种状态会导致b 下降，为了保持一定的负载电流( i ，) ，必须迫使管子 的基极电流( i 。) 提高，因此在工作状态中，这种变化需要更大的启动电流， 而那些供电电流被限定的系统就有可能无法正常工作1 2 7 j 。 p g ( p o w e r g o o d ) 端用来反应输出电压的状态。内部的迟滞比较器监视输出 第6 负共6 6m 上海大擎硕士研究生论文革菏式线注泡濂管理集藏电路的设诗 电压：当竣整电压嶷于某耪愿因下降到正嚣输出数一定菠爨魂，与p g 蠛蝴联的 输出n m o s 管便会导通，使p g 端得到一个低电平信号。此外，为了防止悬空现象， 在裹俸谴蠲对，麓壤要接一个上羧亳疆。p 0 璇还密一零孛特殊静蠲途：鄯宅可隧 来驰动上电( p o w e r o n ) 扁动电路或作为低电压电池的指示器。 通过对e n ( e n a b l e ) 端输入一个t t l 高电平，可以关断线性电源管瑕器使 之楚于睡眠获态，降羝静态电滚粒静态功耗；壬鬻傻霜露，篌e n 浚接趣，诧毫 平便能使芯片从睡眠状态中恢复。 1 4 本文所做的工作及选题意义 懿兹濒述，瞧源管理l c 应用a # 紫广泛，瑟鐾程遥速发震，蘩一电源技术秘 功率控制拽术还在进一步复杂化。因而对电源i c 的研究仍需进一步深化，尤其 随麓鑫交纯技零、计算税援末静飞速发震，宅源管理i e 在毫子设螽静半等体产 品和s o c 中的应用和重要性目益增长，具莉非常广阔的市场前景。 另一方面，它旗本上瞒于模拟和数字的混合信号集成电路，葡舀前有美s o c 中电路单元主要集中在数字电路领域，涉及模拟渥含电路的相对较小，其成熟程 度更难以与之相比驯。因此若能研究解决相关技术、开发性能较好的电源管理 i e ，：并疰| 魏寒稷累鞫丰富s o c 中模缀帮数字翡混合信号集袋电路豹经验也有j l 辍 的意义。 因此本文试图遇过对d e 一蕊黧革片线性电源管理集成电路的研究，来积累 一定的集成电路设计经验。本设计王作将霄助于促进半导体芯片系统的研究与发 展并具有一定的现实意义和社会意义。 本文瓣主要工终是采髑逆自设计的方法寒设诗一稚擎片式线1 隧电源蛰理集 成电路。该电路只需要较少的外部元件即熊构成完憋的电源，工作电压为5 v ， 输出电压为3 3 v ，并吴有一些辅助功髓。经对资料的分奉行嘲，箕中电路中各个 功能块的最主要性能指标为：能隙基准电压源( 暾源变化( 3 v 1 5 v ) 时，输出 电压1 5 m v ；温度变化( 0 。c 8 0 。c ) 时，变化率3 0 0 p p m ) ；迟滞电压比较 嚣 o ) ，无法形成导电沟道，漏源之间只有很小的反向p n 结电流： 当v 。大于等于v 州时形成反型导电沟道，并且，随着漏源电压v d s 的变化，n 型沟道的厚度、能带以及费米能级沿垂直方向倾斜并发生变化。当v 。= v 。一v ，、 时，沟道在漏极附近被夹断。当v 。进一步增大，夹断点向源区方向略微移动。 对于p m o s 管来说，与n m o s 相反，其阈值电压为负值( v ，p o ) 。只有当v 。小于 等于v ，时，才形成空穴导电层，此时，p 沟源端的载流子密度大于漏端的载流 子密度，载流子空穴由密度大的源端流向密度小的漏端。在硅材料中，由于电子 的迁移率是空穴的2 3 倍，所以相同宽度w 、长度l 的n m o s 管比p m o s 管速度 更快2 】【3 l 。 由于在本设计中，主要涉及到功能模块主要有比较器、迟滞比较器及带隙基 准电压。而构成这些功能的基本单元主要有单级放大器、差动放大器及无源与有 源电流镜等。描述这些基本单元的参数有电压放大倍数、输入及输出阻抗等。在 本文研究的m o s 模拟电路中，低频特性是研究的主要目的，因而有必要对本设计 中的所涉及到的几种基本电路作一一分析，为下章功能块的分析与设计作准备。 3 1 有源负载 由于在m o s 模拟集成电路中。高精度高阻值的电阻在工艺上很难制作，因此 常利用电流源的高阻抗来替代。用于此类用途的电流源称为有源负载( a c t i v e r e s i s t o r ) 。它主要单管增强型有源负载、电流镜电路等。 第17 页共6 6 页 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 3 1 1 单管增强型有源负载 b ( a )( b ) 图3 1 单管增强型有源负载及小信号等效电路 图3 1 ( a ) 是将漏极d 和栅极g 短接在一起，以保证m o s 管工作在恒流区， 因为此时满足v p 岛一巧。此时该m o s 管的i v 特性很近似于p n 结二极管 ( p n j u n c t i o nd i o d e ) ，因而又可称为m o s 二极管( m o sd i o d e ) 。所谓的m o s 管 有源负载，指利用管子的漏极d 和源极s 之间的动态电阻r 。来取代所需的电阻， 其值一般能达到几千欧以上。在图3 1 ( b ) 的交流等效电路图中，r 。为漏源输出 电阻，g 。为管子跨导，g 。为管子因体效应而产生的跨导。由交流小信号等效电 路可得( 在交流等效电路图中，衬底接地) ： r 。= v 。i o = v 。( g 。v 。+ g 。b + v 。，名) = 1 1 ( g 。+ g 。b + l ) ( 3 1 ) 因为通常情况下，g 。的值远远大于g 。、i r 。，所以上式又能等效为： r 。，z 1 g 。 ( 3 2 ) 所以在设计中我们可以通过减小g 。和g 。来获得较高的r 。，p 。 3 1 2 电流镜有源负载 3 1 2 i m o s 电流镜 m o s 电流镜主要利用如果两个相同( 几何尺寸、工艺) 的m o s 管的v 。相等， 那么它们的电流也相等的原理来实现的。以下面的n 沟道电流镜为例，m 为基准 管，m ，为输出管，两个管子都工作在饱和区。此时i ，为基准电流，i 。为受i ，控 带怕q 输出电流。 第1 8 页共6 6 页 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 = 0 图3 2m o s 电流镜 在饱和区里有： i ，：警( 叱) 2 ( 3 - 3 ) 。警( ) 2 4 ) 因为同一工序下z 。、c 。、都相等( 以为载流子的迁移率，为单位面积的 栅氧化层的电容，k 为阈值电压) ，所以以上两式可演化为 i 。一w 2 ik i ，w i | l l ( 3 5 ) 如果两个管子的w l 相等，则i 。= i ，。这样的电路结构称为镜象电流源。理 想状况下电流源的输出电阻应为无穷大，实际则不然，它的 r 。，= 仫：= 1 g ：z l a 。此外由于v 变化，也会导致i 。偏离i ，。以下有几 种改进的镜象电流源结构4 。 3 1 2 2 共源共栅电流镜 使用共源共栅电流镜的目的主要是为了提高整个电流镜的输出电阻，而且这 种技术的运用减小了由于输入输出之间的电压差而引起的比例误差，从而使i 。 实际值更接近于i ，。根据共源共栅电流镜的电路图3 3 ，可得 r 。r = 2 + 4 + g 。4 2 4 ( 1 + 叩4 ) ( 3 - 6 ) 由此可见共源共栅电流镜的输出电阻远远大于普通的电流镜。 第1 9 页共6 6 页 上海大学硕士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 图3 3 共源菇栅电流镜 3 1 2 3 威尔逊电流源 图3 4 是m o s 模拟集成电路中常用威尔逊电流源【“。威尔逊电流源的输出电 阻由于电流的负反馈而得到了提高。从图中我们可以得知如果，。增加，则m ：中 的电流也提高。然而由于m 。和m ：电流镜的作用，使得m 中的电流也增加。但由 于i ，是常数，所以m ，的榈电压必须下降，从而使i 。下降趋向于i ，从而保证 了i 。的正确性。同样我们可以得到它的输出电阻为 。：，+：(!塑墨；孑立二鱼生丝羔竺三堕)。g。仫。：(3-7)r删= 3 + 2 【一) g 。l 仫l 2 h g 2 2 妒。 m 3 m 2 0 图3 4 威尔逊电流源 3 1 3 电流源与电流沉 电流源与电流沉是一种两端器件。在任何时间，它的电流与两端的电压并无 直接的关系。电流沉或电流源的电流从其正端流向负端。一般电流沉的负端是 v 。，电流源的正端是v d d 。图3 5 是用m o s 管做的具体的实例。门极上加任意的 电压来产生所需要的电流。我们可以看到在非饱和区内，m o s 器件并不是一个完 第2 0 页共6 6 负 山 n 上海大学硪士赣究垒论文 鼙片式线憔电源营理粲或电路的瑟 美懿毫浚深。事安上，毫滚滚上熬逄压必矮大予￥。方麓获褥较妊匏效莱，舔 v o t r r 一 | l 芏。毽 审 i + 叫匕v 一 。 - v 8 s o u ( 8 )( b ) 图3 5 电流源与电流沉 ( 3 8 ) 热果掇潆魄压绦黪掌数，嚣显程藏与源投都接遗，裂该嚣传枣售譬羧毫奄隧戈； ，：盟：上 越。一尉。 ( 3 - 9 ) 如果衬底与源极不接在相同的电位上，但是只要保证v 。是常数，它的特性瞧不 会发生受化。 盈3 。5 ( 8 ) 楚滚滚滚豹其镩实剿，曩壤门投耧滚投燕躁定戆藏压。歇鞠中我 们可以看到v o u t 及源i 。u t 的定义及整个m o s 管的大信号i v 特性。同样只有电 流源的源漏电压大于v 。，才能很好的工作 v o u t - + | 强。l g m 2 。， 孝 ( 3 1 1 ) 唧删f 百手 l j l _ l 一 声b 十 一 柙撕“南“鎏“ l 鲢】：= 图3 。7 具体斡提高r o 。的电流沉电路及小信号等效电鼹 以上的原理狂图3 7 中得到了具体的威用 2 1 4 1 。此图的输出电阻是图中的电 流沉的输出电阻( r 。，) 乘以m 2 的共栅电压增益。则输出电阻为 r 。= 一r d , 2 0 + g 。2 酝1 + g m n l + g m 2 1 ) = l + 仫2 + 2 1 r e , 2 ( 1 + 1 2 ) ( 3 一1 2 ) f o w 一般来说，g 。：遥远大于1 ，所以上式可简化为 1 o m = ( g 神2 ) i ( 3 一1 3 ) 由此可见，上图中电流沉的输出电阻提高了g 。：r e 。倍。 3 2 共源放大电路 圈3 8 中的m 1 ( n m o s ) 必放大管，m 2 ( p m o s ) 是受载管( 在这里我们只考 筻2 2 页共6 6 页 上海大学磷研究奄论文荤片式线後电源管毽集成电路的设计 惑灌强蝥管子) ，王l 乍露惩警珐楚在蟾弱状态。鬏据图襞示静交浚夸信号等效毫 路图，可得小信号时的低频电压放大增靛a ，和输出电阻r 。，为 a 一监：二曼l 兰一点业 kg 盎l + g 蠡2 + g * 2g m 2 甲 一匕戳 才j 4 一。 上 毫 ( 3 一1 4 ) 图3 8 共源放大电路 兰土 ( 3 1 5 ) g d p l 十g 出2 + g 2g m 2 我销可敬看蓟院对的，l 信号彀阻较低，这主簧是毒予怼管二极管静连接往 使得m 2 电阻偏小的缘故。在一些诸如需要较大带宽的反栩增益级中，这种低输 出电阻是徽有用的。 3 。3 电滚滚负载放大电路 w , d 图3 9 电流源负载放大电路 用电流源负载取代涨o s 二极篱，就构成了电流源负载放大电路，也称之为 c m o s 有源负载放大电路。此时两铐均工作在饱和区，m t ( n m o s ) 衬底接最低电 位，m 2 ( p m o s ) 衬底接最商电位。这主要怒因为n m o s 管题做在p 型半导体的衬 底中，因炫辩底接最低电位；两p m o s 管是做在n 凝半导钵躲 重庶中，因此村底 接最高电做。只有这样才能保证两管组成的衬底p n 结保持反偏。我们可以从图 3 。9 中筑等效电路黧中番密，梵黪绣梅不存在落效液，这主要是爨为出予掰释管 筹2 3 炎共6 鑫更 上海大学硕士研究生论文 单片式线性电源管理集成电路的设计 子的栅源都接在一起，从而v 。= 0 的缘故。同样我们可以得到共源放大电路的低 频电压增益为 “= 等一彘2 ( 哿 1 ，2 剥o c 去 v 。g 出l + g 出2 l 三l ，d l 旯l + 丑2 ，d 叫 由此可见在饱和区内i 。越小，a ，越大。因此我们如果要提高a ，只要相应地 减小偏置电流i 。便可。共源放大电路的小信号输出电阻为： ，2 赢兰巧而了( 3 - 1 7 ) 3 4 推挽式放大器 图3 1 0 为推挽式放大器。由图可见p m o s 管和n m o s 管的源极和衬底短接在 一起，因而v 。2 0 ( 不存在体效应) 。此外由于p m o s 管和n m o s 管的栅极连接在一 起，因而v 。同时作用于p m o s 管和n m o s 管。如果v 。信号为正，则n m o s 管导通， 图3 1 0 推挽式放大器及小信号等效电路图 小信号电流从n m o s 管漏极流向源极；而此时的v m 对p m o s 管是负的，小信号电 流也是负的，它的流向也从p m o s 管漏极流向源极。因而推挽式放大器的输出电 流为i 。为两管电流之和。推挽式放大器小信号特性取决于它工作的区域。如果 p m o s 管和n m o s 管都工作在饱和区域内，那我们便得到了最大的电压增益【“。 a r = 二! 量墨! 墨竺! ! ：一 g 出l + g 出2匝学 t i + t 2l 由上式可见c m o s 推挽式放大器电压增益比c m o s 电流源负载放大电路更大。这种 电路结构多用于输出级。 上海大学硕士研究黧论文革片式线 奎电源管理集成屯路的设计 3 。5c m o s 蒺分对 图3 1 1 为用电流源偏置的n m o s 差分对。在网中m l 、m 2 是性缝相固的n m o s 管，它们均工作在饱和区。不考虑沟道调制效应，可以得到m 1 、m 2 的漏魄流为 z 1 v i n lv i n 2 l 图3 i 1c m o s 差分对 b = 警( k 2i d 2 = 警( k 2 ( 3 _ 1 9 ) 因为v 甜1 一2 = 】一2 则v m k 2 = f 2 1 d l f2 如2 1 f 一彬厶1 f 以吒上2 将一h 式同i i 寸平方，可得 v ，1 - 蟛2 丽而2 ( k 一2 厩弱 帮喜效气孚f ，一：) 2 一珞= 之乒i = 再将上式两边同时平方，豳意到 4 i d l i d 2 = ( ，d l + i d 2 ) 2 一( ，一i d 2 ) 2 = j 2 一( ，d i i m ) 2 遴焉我餐褥蘩i ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 0 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) z=z。，一，。：=圭。e麓警eyi；一矿j。，f；i；!；i；面 e 。一。t ， 我们可以推测当v 。很小时，a i 与a v 。近似成线性关系。 在前面我们曾提到过在模拟集成电路中，跨导g 。值往往对某些值的作用很大。 c m o s 差分对的跨导g 。值可通过对i 求导来得到 舞2 5 爱共6 6 受 土海大学颈士研究生论文单片式线性电源管理集成电路的设计 盱衬厶詈蘸 ( 3 - 2 5 ) 船果v m ：0 ，则g 。：，扣。c 。导气：g 。l ：g 。2 ( 3 - 2 6 ) ￥厶 其中g 。l 、g 。2 是m l 和m 2 单管的小信号跨导a 由上式可见c m o s 差分对襁零点附 近的小信号跨导等于组成它的单管的小信号跨释。 3 。6c m o s 差分放大电路 在m o s 模拟集成电路中，常用的m o s 差分放大电路有多种结构。图3 1 2 怒 种最麓本的m o s 差分放大电路。其中龋l ，m 2 蹩差分瓣，髓与其它m o s 管幸奄成 电流深为差分怼提供工圣# 趣沆 嚣，蕊挝3 ，m 4 构成的电流镜电踌是差分对的负 载，将箍分放大电路的潍分输出无损耗地转化为单端输出。差横输出电压为v 。 差模输入电压v “为vj l 和v 2 之差。 爱3 。1 3 鹣小僖号等羧毫魏楚在差分薅熬m o s 警完全涯配懿螬凝下褥至l 爨麓 化图。如果这种情况得到满足，在小信号等效电路图中m l 和m 2 的源被认为是交 流接琏。如果羲分对没有接受载，刚在，j 、信号等效电路图中它的输出认为与交滚 地短路，它的蓑分跨导增益可表示为 。2 老v g s l - - g m 2 v g s ：或 ( 3 _ 2 7 ) i ：。兰g 。i v f l g 。2 v f 2 = 岩。d v d ( 3 2 8 ) 此处g 。，= g 帕= g r a d 啊= 。，i ：。为输出的短路电流。 鼠毫瀛镜豹交流小售号等效图中，我爨缳容易羧能褥到r 。， r 。= l ( 3 v 2 9 ) g 西2 十g 出4 则该c m o s 差分放大电路的输出电压为 v 。= 。弋。= j 堑l ( 3 3 0 ) 嚣毋2 十g 始4 第2 6 顶共6 6 磺 上海大学颧士研究生论文单片式线瞧电源管理集成电路的设计 舀3 ，1 2c m o s 差分放大电路 g 1貔d 1 ；g 3 ：d 3 。g 4d 2 ：蹦抽! 三 图3 。1 3c m o s 差分放大电路豹小信号等效电路 那么整个c m o s 差分放大电路的箍模电滕增益为 a 兰蛾： 薹烈 e331)v= v h dg 2 斗g 4 以上我稍仅仅考虑了枣信号等效邀爨凰瓣豹情熬。以下蹙分掇一下差分敖大电踺 的另一个重要特性：输入共模范围。计算输入麸模范围的办法熬将v 。设置为0 ， 然后交化v 衅直到差分放大电路中的某个管子不再饱和。具体是将两个输入端 联结在起并扫箍共穰输入亳嚣，可褥最大懿输入共横电压荛 v ( m a x ) = ( m a x ) = 一，一l + 1 2 v 脚一3 十l 0 i ( 3 3 2 ) 从另一条支路可褥 v f ( m 哟+ = 一。( s a t ) 一：+ 2 = 一。阚) + ： ( 3 3 3 ) 既然通过第二祭支路绳刭的v 。( m a x ) 较大，所以从最坏的角魔我们选择第一个 v 。，( m a x ) 。另外可以得到最低的输入共模电压为 第2 7 页共6 6 页 上海大学硕士研究生论文革片式线谯电源管璃集成电路的设计 v ”( r a i n ) = + 5 汹 ) + i = + 5 ( s a t ) + 2 ( 3 3 4 ) 则共模输入电压范围为 + 5 ( s a t ) + 2 v “v d d 一3 + l 。 ( 3 4 4 ) 3 。7 输出缀电路 输出级电路的主要目的就是裔效地将信号驱动至输爨囊载。输接受载一般包 括电阻，域电容戡全有。对于负载是电阻的，输出级电路的小信号输出电阻必须 小予或等予负载电阻；对于受载怒瞧容懿，输出缀邀路必绥县骞埝掇大静淀或澡 电流的能力。因此输出级电路的目的就是作为一种电流变换器。为了达到这个目 翁磐簇瀵筵戳下瑟| 、要求( 1 ) 敬魄压或亳流匏影式疆供避够静功率( 2 ) 避免信 号的失真( 3 ) 效率较高( 4 ) 提供保护措施。以下主要有三种形式的电路满足了 要求：甲黉放大器( c t a s saa m p l i f i e r s ) ，源跟随器( s o u r c ef o l l o w e r s ) 及 推挽式放大器( p u s h - p u l la m p l i f e r ) 剐。 3 7 1 甲类放大器 为了减小输出电阻及提高电流的驱动能力，最赢接最简单的办法就是在输出 级中提高德显电流。国3 。1 4 也穆之为甲类放大嚣。在裁蕊我髑己提到她类放大 器的小信号输出电阻为 r 。= 三 ( 3 4 5 ) 1 g 女l 十g 女2 惑中_ l 龟类输壅级豹最大赣爨沉电流为 i o u t 冬( 一，) 2 岛 ( 此隧v 。= ，式中i q 必毫遗源辩2 提供戆壹 。“i 漉电流)( 3 4 6 ) 最大输出源电流为 罢( 一啪2 ，j 、信号电滋增兹势 a 。v o u t ：二 v m誉曲1 + g 毋2 ( 此时v = 0 ) ( 3 - 4 7 ) ( 3 - 4 8 ) 第2 s 趸共6 6 疆 上海大学磷士研究拳论文擎菏式线径程源管瑗巢戒电路的疆计 匿3 。1 4 甲类放大器歉小信号慧效逛鼹图 3 7 2 源跟随器 这种结构同榉具有较大的电流增益和较低的输出电阻的特性。然而由于源极 是输出极点，因弼器件存在体效t 溆。当输出电压增加时，体效应的存在使阕值电 臌v ，增加，从而爵致最大的输出电压远邋低于v 。 获，j 、信号等效电路圈3 1 5 中，我稻掰得 。删= ( 3 4 9 ) v 。= ( g 。v 。一g 。k 。一g 。如。v 。，) ( 1 g 。： l ，凼，i l ，名2 ) ( 3 5 0 ) 通过对小信弩等效电路的分析，可褥魄压增菔为 l 1 ) dv d n h c 圈3 1 5 深躐涎器及，l 、信号等效电路黧 a ：j 颡l 一 g 麻l + g 出2 + g + g m b s l + g m 2 邋卷情况下g d s l ，g 女：g 。g 。；，g 。2 ，所以上式可改为 ( 3 - 5 1 ) 第2 9 页热6 6 夏 上海太学颈研究黛论文擎片式线瞧电源管疆集成电路鹣设诗 a 。： 墨生 一 g m l 十g m 如i + g m 2 ( 3 5 2 ) 由于钵效疲靛缘效，m o s 源鼹随器豹孛售号电压增益一般都枣予l 。小蔷譬输密 电阻为 r 。，：上一一l 一 ( 3 5 3 ) 。川 g 。l + g m 缸1 + g 。2 + g 西l + g 出2g 。1 + g m 6 5 l + g m 2 ”7 辩次可见，m o s 源极跟随器输出电阻小、电压增虢小于1 ( 近似为1 ) 的特点。 此终我 f 】考虑一下源跟睫器的最大源电滚与沉电浚。最大的辕出源黾滚怒出鞋l 和v 。来决定。如果我们使v 。等于v d d ，则最大的输出源电流i 。为 珐萨警【一。嘞卜k 5 4 ) 而最大的输出沉墩流i 。主要由m 2 来确定。源跟随器的效率与甲类放大器差不 多，然螽魏予源躐隧器蠹凌豹受蒗缓使褥灞鼹陡嚣静失真瞧篦甲癸敖丈嚣好一些 踟。 3 7 3 推挽式输出级放大电路 推撬斌放大瓣燕有狠离约效率。推撬式放大器又称之为乙粪躐甲乙类放大 嚣，主要怒因为在输出管输出小偿号正电愿其闻，输出电流势不怒一直存在【6 l 。 在实际运用中存在着许多不同版本的推挽斌输出级放大电路，如推挽式放大器就 是矮楚摹豹一耱。然瑟这耱结构豹馥会缺杰是工露在嵩璜豢区域辩，嚣要缀大静 静态电流。如果推挽式输出级放大电路具有图3 1 6 结构，则性能得到大大提高 m 卅 、h n 0 v t r ll 一 # 幻w c 戋 图3 1 6 改进型推挽溅放大器的电路结构 此时v “正好为n 沟道器件韵阖德电压，而盈v 嘲和v m 2 豹加入使p 沟邋器件 第3 0 焚共6 6 爽 上海夫学磺圭研究生论文擎片式线髓奄添警璞集成电鼹的设计 处于导遴逑缘) 。舞暴v 。在魏墓礁上嶷蹇，p 澎遴器终将关薮，n 沟遂孛掰毒懿 电流便会被沉入负载中，反之亦然。可以清楚地糟到由于所有的电流都流进( 或 流出) 负载，因简没有电流浪费簿。 筻3 l 菱共稻夏 上海大学联研究生论文肇片式线往电源警邂集成电路豹设计 第西章各功能块电路原理、设计与仿真分析 在前两章中融经简要的介绍了模拟袋成电路设计的一些基本知识和方法，本 章将介绍凝体的嗽路结槐及楣应的仿真结果。在爨体贪缨之前，鸯必要介绍一下 举文所使用的b o a 软件c a d e n c e 。模拟电路采用自下而上的方法在晶体管缴采用 镑囊工其验涯设诗。童予在性能上豹复杂瞧嚣电路结捣上瓣多襻缓，摸熬魄终对 仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。国际上公认的 摸撼毫鼹透露傍爽工其跫美国黼剩福露亚太学倍克翻分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f