（微电子学与固体电子学专业论文）ldo线性稳压电源管理芯片设计.pdf

上海大学硕士学位论i ：2 = 摘要 随着半导体终端产品朝向轻薄短小、数字化和整合多功能三大趋势发展，模 拟领域的电源管理i c 的地位变得越来越重要，并成为半导体厂商争相竞逐的主战 场。作为电源管理的重要一员，低压差( l d o ) 线性稳压电源管理i c 在便携设备 中的应用也越来越广泛，并且正不断向低成本、低功耗、低噪音、高效率、高电 源抑制比( p s r r ) 等方向发展。基于此，本论文采用0 6 u m c m o s i 艺设计一种 l d o 线性稳压电源管理芯片。该芯片的外围电路简单，主要应用于近年来销售量 直线上升的蜂窝电话、笔记本电脑及数码相机等便携设备中，具有广阔的市场前 景。 论文首先论述了线性稳压电源的基本原理，以此为基础对系统设计进行整体 考虑，构建了系统整体架构，并制定了芯片的设计指标。利用小信号分析的方法 对系统稳定性进行了分析讨论，根据系统稳定性原理，采用电容反馈补偿措施以 确保系统稳定可靠。 根据设计指标，论文详细设计了芯片内部电路模块，包括：带隙基准电压源、 误差放大器、过热保护、过流保护和使能电路等，通过综合比较晶体管的性能， 确定调整管的类型。在基准电压源设计中，采用了电流相加的新型电路结构，使 输 ；基准电压不仅具有良好的温度特性和电源电压抑制特性，而且克服了传统电 路结构电压基准源的输出电压不能改变的缺点，提高了模块的可移植性，并充分 考虑了低电压低功耗设计；在过热保护电路设计中，采用温度迟滞系统，克服了 单温度保护点电路易受温度变化误触动的缺点。 借助c a d e n c es p e c t r e 仿真软件完成仿真验证，实验结果表明，该系统在正 常工作时，能得到3 v 稳定的输出电压，压降仪为1 5 0 m y ；在1 k 时电源抑制比 为6 5 5 5 d b ，在l o k 时l 乜源抑制比为5 0 d b ；在温度范围( 一3 0 。c 9 0 。c ) 内系统能 保持良好的稳定性，达到了设计要求。并完成了主要电路模块的版图设计与验 证。 关键词：l d o 电源管理基准电压源线性稳压器 v 上海大学碗一l 学化论文 a b s t r a c t t h ea d v a n c e m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ym a k e se l e c t r o n i cp r o d u c t s b e c o m et h i n n e r , l i g h t e r , d i g i t a la n dv e r s a t i l e a sar e s u l t ，t h ep o w e rm a n a g e m e n ti ci n t h ea n a l o gf i e l di sb e c o m i n gg r a d u a l l yi m p o r t a n ta n dm o r ea n dm o r ep o p u l a rw i t h s e m i c o n d u c t o rc o m p e t i t o r s a sa ni m p o r t a n tm e m b e ro fp o w e rm a n a g e m e n t ，t h e a p p l i c a t i o no fl o wd r o p o u tv o l t a g e ( l d o ) l i n e a rr e g u l a t e dp o w e rm a n a g e m e n t i sa l s o m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a di np o r t a b l ee q u i p m e n t s a n di ti sd e v e l o p i n gt ol o wc o s t ， l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，l o wn o i s e ，h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o n r a t i o ( p s r r ) b a s e do nt h a t ，t h i st h e s i sd e s i g n s al d ol i n e a r r e g u l a t e dp o w e r m a n a g e m e n tc h i pw i t ht h e0 6 u mc m o sp r o c e s s t h ec h i pi sw i d e l yu s e di np o r t a b l e e q u i p m e n t ss u c ha sc e l l u l a rp h o n e s ，n o t e b o o kc o m p u t e r sa n dd i g i t a l c a m e r a se t c t h e r e f o r e ，i th a sg r e a tm a r k e tp r o s p e c t f i r s t l y , t h e t h e s i sa n a l y z e st h eo p e r a t i o nt h e o r yo ft h el i n e a rr e g u l a t o r t h e a r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o ni s m a d e t h e s t a b i l i t yo f t h es y s t e mi sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gs m a l ls i g n a lm o d e l a n da c c o r d i n g t o t h et h e o r yo fs t a b i l i t y , t h ec o m p e n s a t o r ym e t h o do fc a p a c i t a n c ef e e d b a c ki su s e dt o e n s u r et h es y s t e mo p e r a t es t e a d i l y t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，t h ei n t e r n a lm o d u l e so ft h ec h i pa r e d e s i g n e di n c l u d i n gb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，e r r o ra m p l i f i e r , t h e r m a lp r o t e c t i o n ， o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o na n de n a b l ec i r c u i t ，e t c a n dt h et y p eo fs e r i e sp a s st r a n s i s t o ri s u s e da f t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i s t o r s i nt h ed e s i g no fb a n d g a p v o l t a g er e f e r e n c e ，t h en o v e la r c h i t e c t u r eo ft w oc u r r e n t ss u mi su s e d i n s t e a do f c o n v e n t i o n a lv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t a sar e s u l t ，t h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ec i r c u i th a s g 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 ，h i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s r r ) ，a n dc a nb e f l e x i b l yr e g u l a t e di no r d e rt oi m p r o v ei t st r a n s p l a n t a t i o na n dt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g e o ft h ec o n v e n t i o n a lv o l t a g er e f e r e n c ew h o s eo u t p u tv o l t a g ec a n n o tb ev a r i e d i n a d d i t i o n ，l o w v o l t a g ea n dl o w - p o w e rt e c h n o l o g yi sa l s oc o n s i d e r e di nt h ed e s i g n t h e 上海大学碗士学似论文 t h e r m a l p r o t e c t i o n c i r c u i tw i t ht e m p e r a t u r eh y s t e r e s i si s a d o p t e di n t h et h e s i s f i n a l l y , a l lt h em o d u l e sa n dt h ew h o l es y s t e mh a v eb e e ns i m u l a t e db yt h et o o l s o fs p e c t r eu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc a d e n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e o u t p u tv o l t a g eo ft h es y s t e md e s i g n e di sa b o u t3 va n dt h ed r o p o u tv o l t a g ei s 15 0 m v a tn o r m a lc o n d i t i o n i na d d i t i o n ，t h es y s t e ms t i l lo p e r a t e ss t e a d i l yw h e nt e m p e r a t u r e r a n g i n gf r o m - 3 0 。ct o9 0 。c t h ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oi s6 5 5 5 r i ba t1k h z ， 5 0 d ba t1 0k h z t h u s ，t h ew h o l ec i r c u i td e s i g n e dm e e t st h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n t h e l a y o u to fs o m ei m p o r t a n tm o d u l e sh a sb e e nf i n i s h e da n dv e r i f i e db yv i r t u o s o k e y w o r d s ：l d o ，p o w e rm a n a g e m e n ti c ，v o l t a g er e f e r e n c e ，l i n e a rr e g u l a t o r v 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：粥皿廊l 日期：趔：i 1 2 l 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：霹缸量厨卜导师签名 e l 期：2 趟：! ：羔兰 吣 上海大学硕f 学他论文 1 1 电源管理的概况 第一章绪论 所有的电子设备都需要电源作为动力，但不同的电子设备对电源参数、体 积、形状、可靠性、干扰等的要求有所不同，其中对电源参数的要求包括效 率、电压、电流能力、噪声、纹波等。而对电源参数的要求，我们可以通过对 供电线路的电能变换来达到，例如交流一直流( a c d c ) 变换；直流一交流( d c a c ) 变换：交流一交流( a c a c ) 变换：直流直流( d c d c ) 变换等。 随着科学技术的高速发展，电源日益成为一切电子设备的心脏，而电源管 理技术也发展成为电子系统中必不可少的技术。根据不同的工作原理可将电源 分成开关稳压电源、电荷泵电源及线性稳压电源三大类。其中，开关稳压电源 由主回路与控制电路两大部分组成，主电路将能量传递给负载电路，控制电路 则按照输入输出条件控制主电路工作状态，将控制电路集成化：电荷泵电源是 利用电容作为储能元件的一种开关电源，其内部通过控制开关管阵列来控制电 容的充放电，实现电压转化；线性稳压电源是一种连续的控制电源，内部调整 管始终工作在线性状态。 近年来，在高度数字化趋势下，数字i c 技术在工艺微缩后相对电压的变化、 电流容忍和保护日益重要，不同的i c 需要不同的供电电压，因而促使电源管理 i c 的地位变得越来越重要，并成为半导体厂商争相竞逐的主战场：此外，由于 便携产品一直都是电源管理i c 的主要应用领域之一，随着半导体终端产品如手 机、数码相机、笔记本电脑、m p 3 及各种便携式消费电子产品的应用日益广泛， 消费者对功能、性能、体积和成本等方面的要求不断升级，电力需求和电池寿 命长成为必备要素，这些使得电源管理市场充满活力，同时也对电源管理技术 提出了更加复杂且严格的要求【2 l ，从而加快了电源管理i c 结构升级进程。另外， 随着汽车“电子化”趋势的日益明显，汽车电子产品得到了越来越多的关注，这 无疑为电源管理i c 市场未来的发展提供了契机。促使电源管理i c 不断呈现以下 发展趋势： 上海大学硕j 学位论文 一是集成趋势。在更小的硅芯片上集成更多功能特性，同时以更高的设计 灵活性实现更强的系统用电性能，而不会增加成本。 二是数字化控制。通过一个数字内核和嵌入式通信接口对多个电源转换模 块和外部元件进行控制，从而强化了对多电压的管理，并动态控制了功率的转 移。 三是低功耗。新型电源管理i c 的静态电流都很小，微功耗的线性稳压电源 或具有关闭电源控制功能的新型电源管理i c 的静态电流仅为l u a 左右。 四是电压转换和调节的效率与精度越来越高。尤其是在多电压要求下，如 何有效、精确的为每个半导体器件或模块供电已成为电源及电源管理i c 设计的 巨大挑战。集成电路的低电压趋势将使电压调节变得更加困难，电源管理i c 也 必须通过生成更低和更精确的参考电压来适应新的变化。 五是封装体积更加优化。电源管理i c 生产商正不断改进封装技术，在缩小 占位面积的同时还注重提高散热性以及降低成本。 从国内看，近些年来，我国3 c 领域电子整机产品的增产为电源管理i c 提供 了更加广阔的应用市场，使其销售量得到了大幅度的提高。2 0 0 4 年我国电源管 理i c 市场销售量和销售额增幅远远超过前两年，分别达到2 8 3 i i3 7 6 ，全 年销售量为3 0 8 亿片，销售额达到1 6 5 2 亿元。在市场需求量和产品升级这两 个动力的推动下，预计在未来5 年，我国电源管理i c 市场将直保持较高的增 长速度。初步估算2 0 0 5 年我国电源管理i c 销售额达到2 0 1 6 亿元，与2 0 0 4 年 的同比增长为2 i 9 ；预计2 0 0 6 2 0 0 7 年，我围电源管理i c 市场将进入一个加 速发展的时期，销售额增长率逐年增加；从2 0 0 8 年开始，随着全球电子整机产 品生产向我同转移的速度逐渐放缓电源管理i c 市场将进入稳定增长时期，其 销售额依旧保持较高的增长速度，但增幅逐年减小。2 0 0 5 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2 87 ，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 2l d o 线性稳压电源的发展现状 目前，按照调整管连接方式的不同，线性稳压电源可分为串联稳压电源和并 海人学硕小学位论文 联稳压电源两大类。其中并联稳压电源的调整元件与负载并联，通过并联元件等 效电阻的变化来保持输出电压不变，但这类集成稳压电源较少：在串联稳压电源 中，根据调整元件结构的不同，又可分为【4 j ： 1 ) 标准的( n p n 达林顿) 线性稳压电源； 2 ) 低压差( l d o ) 线性稳压电源： 3 ) 准l d o 线性稳压电源。 这三类线性稳压电源最主要的差别是电压差( d r o p o u t v o l t a g e ) 的不同。所 谓电压差是指保持线性稳压电源正常工作时所需的最小输入输出电压差。线性稳 压电源设计的关键之处是在最小的电压差下，使系统正常工作而消耗在内部电路 上的功耗尽可能少、效率更高。在上述三类线性稳压电源中，标准的( n i n 达 林顿) 线性稳压电源所需压降最大，因而其效率最低。而l d o 线性稳压电源所需 压降最小、效率最高。并且为满足市场需要，近年来开发出各种新型的l d o 线性 稳压电源i c ，这些l d 0 电源i c 具有以下特点【5 】： 1 ) 超低压差，目前1 5 0 m a 的l d o 芯片( 女1 1 s a 5 7 0 0 0 ) 在负载电流5 0 m a 时压 差仅为5 5 m a ，提高了转换效率； 2 ) 超低功耗，像m a x l 7 2 5 这类l d o 稳压电源i c ，能在2 u a 的超低电源电流 下保证正常工作，在以电池作为电源的系统中应用能延长电池的使用寿命； 3 ) 超低噪声，目前新一代l d o 稳压电源芯片的噪声一般在5 0 u v r m r t h z 以下。 4 ) 采用小型和超小型封装，如3 脚s o t 2 2 3 、5 脚s o t 2 3 、8 脚s c 7 0 j w ； 5 ) 小输出电容和无输出电容，输出电流为5 0 m a - l m a 的l d o 稳压电源芯片， 大多可使用l u f d 容量电容，同时可采用小型陶瓷电容或微型多层陶瓷电容； 6 ) 多功能化，目前，把过热保护、过流保护等多种功能都集成至i l d o 稳压 电源芯片内部： 7 ) 外围元件最少，仅需一两个电容，有些l d o 器件甚至不需要输出电容， 因此使p c b 版尺寸大大缩小，节约了空间，也降低了成本。 1 3 选题的背景与意义 随着新型高性能、小体积便携式无线设备( 如p d a 、笔记本电脑等) 的需 上海大学硕士学他论文 求日益增大，器件体积不断缩小，包含的功能模块不断增多，消耗的功率成倍 增长，对电源管理i c 的要求更加复杂和严格( 如高效率、高性能和小尺、。) ， 不仅追求高集成度、高性价比、体积小、重量轻，还要求低噪声、低纹波、高 效率以及简单的外围电路等。因此，具有最佳性能指标、最简外围电路、高集 成度和高性能的电源管理i c 将具有更广阔的市场前景。 目前，虽然开关式稳压电源比线性稳压电源的工作效率高，输出电压变化 范围大，但其电路复杂，需要外接电感或变压器，且存在电磁干扰大，因而使 用受到限制。尤其在噪声要求严格的移动电话中，r f 电路对供电电源的输出纹 波要求很高，为避免电源开关噪声的影响，防止r f 各部分电路之间互相干扰， 不能采用开关式稳压电源。线性稳压电源的功率器件工作在线性放大状态，与 相同功率的开关稳压电源相比，它具有稳定度高、可靠性好、成本较低的优点， 此外还具有较好的负载暂态特性、无开关噪声等电磁干扰、结构简单等许多特 点。因此在一些中、小功率及对电性能指标要求比较高的场合中，线性稳压电 源仍占有很大的市场，此外便携电子产品的不断涌现，在很大程度卜促使了 l d o 线性稳压电源i c 的快速崛起，使其在所有电源i c 中销售额最大。 本文基于l d o 线性稳压电源i c 的发展状况和广阔的市场前景，为满足市 场需求并结合不同调整元件的特点设计了线性稳压电源中所需压降最小、效率 最高的l d o 线性稳压电源管理芯片。该芯片是电源管理领域内线性稳压电源中 发展h 的新器件，其较低的输入输出压差降低了调整管上的损耗，提高了电池 的使_ 日j 效率；较低的噪声，能适应手机、蜂窝电话、数码相机、笔记本电脑、 m p 3 及各种便携消费电子产品对电磁兼容的苛刻要求。 此外，该芯片外围电路简单，大大降低了成本，同时系统对负载的调整能 力很强，能在各种工作条件下稳定工作。宽裕的输入电压范围( 37 v 6 v ) ，输 出电压为3 v ，在最大负载电流( 6 0 0 m a ) 时，最大压降仅为2 5 0 m v ；系统处 于关断模式时，低的静态电流可降低电路功耗。众多便携电子产品的设计者将 从该新器件所具有的高效率、高集成度、小巧外形以及设计灵活性方面大大获 益，并且该芯片也町为使用电池供电的系统提供完整、高效而又经济的电源解 决方案。因此，对l d o 线性稳压电源管理芯片进行设计研究，不仅具有重大的 上海= 学硕l 学位论文 学术意义而且具有深远的社会价值。 1 4 本文的主要工作及创新点 本文设计了一种l d o 线性稳压电源管理芯片，该芯片外围电路简单，仅需 要r c 元件，并且具有宽的输入电压范围( + 3 7 v + 6 v ) ，较低的输入输出压差， 在负载电流为1 5 0 m a 时，线性稳压芯片上典型的电压降为1 5 0 m v 。该l d o 线 性稳压电源管理芯片对负载变化反应的控制非常灵敏，特别适用于低电压微处 理器。本文主要工作及创新点表现在如下几个方面： 主要工作： 1 ) 详细分析了线性稳压电源的工作原理，根据设计要求构建出了系统的整 体架构并制定了芯片的设计指标。利用小信号分析方法对系统控制环路稳定性 问题作了详细的分析与讨论，确定系统补偿措施； 2 ) 完成了芯片内部各个功能模块的电路设计，主要包括：基准电压源、误 差放大器、保护电路和使能电路等，在各功能模块设计完成的基础上搭建出了 整个系统电路从而完成了整个系统电路设计； 3 ) 采用o 6 u mc m o s 工艺，用c a d e n c es p e c t r e 工具对设计电路进行全面的 仿真分析，分析结果表明系统的功能及性能指标达到了设计指标； 4 ) 详细分析了版图设计中需要考虑的实际问题，并完成了芯片主要电路的 版图设计和验证工作。 创新点： 1 ) 基准电压源设计中，采用电流相加型的带隙基准设计原理，设计的电压 基准源的输出电压不仅具有良好的温度特性、电源电压抑制特性，而且还可以 根据需要灵活调整使之输出不同的电压值，从而克服了传统结构型基准源的输 出电压固定不变的缺点，提高了模块的可移植性，并充分考虑了低电压低功耗 设计； 2 ) 过热保护电路设计中，利用简单的结构实现了温度迟滞功能，从而克服 单温度保护点电路易受温度变化误触动的缺点； 3 ) 采用电容反馈的补偿方法产生一个可以精确控制的零点，确保系统稳定 l 海大学硕t 学位论文 工作，克服了传统的e s r 补偿不精确以及米勒补偿中易引入额外极点而需要加 入缓冲级等缺点。 1 5 论文章节安排 按照作者课题过程中的工作顺序，把本文分为五章，其具体安排如下： 第二章首先分析线性稳压电源的工作原理，给出理论依据，以此构建系统 的整体架构，并制定芯片的设计指标；然后简要概述设计中要考虑的问题；最 后，采用小信号分析方法对系统控制环路稳定性问题进行分析讨论，并确定补 偿措施。 第三章详细设计基准电压源、误差放大器、过热保护、过流保护及使能电 路等各子模块电路，分别对各子模块进行功能概述和原理分析，设计出实际线 路图，并给出仿真结果；综合比较调整管的性能确定调整元件类型。 第四章介绍版图设计中需要注意的问题，设计并验证了芯片内部主要电路 的版图。 第五章对本文进行总结，并对该项目的发展做出了展望。 上海大学顶j 学位沧文 第二章l d 0 线性稳压电源芯片的整体设计 高性能便携消费电子产品的广泛应用促使了线性稳压电源的快速发展，并 且随着大量集成稳压模块的出现，使得线性稳压电源电路更为简洁，使用更为 方便。但是线性稳压电源的调整管始终工作在线性放大状态，为保证输出电压 有足够的稳定范围，调整管上必须有一定余量的电压降，这就增大了整个线性 稳压电源芯片的功耗、降低了工作效率。为了减小线性稳压电源芯片的功耗， 提高其工作效率，我们设计了一种低压降( l d o ) 线性稳压电源管理：片。 本章首先分析线性稳压电源的工作原理，通过整体分析构建芯片的整体架 构。然后参照相关资料制定出芯片设计指标，明确了l d o 线性稳压电源设计中 需要考虑的主要问题。最后利用小信号分析法对系统稳定性问题进行分析讨论， 确定控制环路频率补偿方案。 2 1 线性稳压电源的工作原理 典型的串联式线性稳压电源的功能框图如图2 - l 所示嘲。它主要由精确误差 放大器、基准电压源、调整管和反馈网络凹大部分组成。一般情况下，线性稳 压电源是通过负反馈网络调整工作在线性状态的调整元件上的电流或电压，从 而实现稳定输出电压的目的。 图2 1 典型的串联式线性稳压电源功能框图 整个系统工作过程为：当系统上电后，电路丌始启动，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。! j 负 载r l 或输出电流i 。变化时，通过采样电阻r 。、r 2 得到一个输出反馈电压v f ，v f 连 上海大学坝士学位论文 接到误差放大器e a 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 v 。f 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v 。稳定在规定的电压值上。其调整 过程可简化为： 愚1 、j 吒，r j 吩个 放大器输出个司 矿0c = = = = = = = = = = = = = = = = 到 由此可见，串联式线性稳压器可以看成一个电压负反馈放大器，由误差放大器 和调整管组成基本放大单元，输入电压作为电源电压，基准电压作为误差放大 器的输入信号，采样电阻r ，和r z 构成反馈网络。 2 2l d o 稳压电源整体架构 南上述对线性稳压电源工作原理的分析，经过综合考虑，本设计采用如图 2 2 所示的l d o 稳压电源整体电路等效架构。其内部主要包含基准电压源、误 差放大器、使能电路、反馈回路、调整单元以及过流保护电路和过热保护电路。 1 ) 基准电压源 该模块是集成稳压电源的个核心部分，它为各个电路模块提供不受温度 和电源变化影响的基准电压。由于采用带隙技术的基准电压源能够在较低的电 源电压下工作，并且具有较高的精确度和良好的热稳定性，故经常采用带隙基 准结构来设计基准源电路，在本文设计的l d o 系统中就采用了带隙基准电压源 作为参考电压。 2 ) 误差放大器 误差放大器在本设计中丰要用来调节调整单冗。它的同向输入端是输出反 躲髓压= k c 彘j ，肭献粮撇蚯v 一加v 剐一断比 较并将误差信号放大，用得到的放大信号驱动并控制调整单元一t ：作，从而达到 维持输出电压v 。不变的目的。为了提高稳压电路的性能，误差放大器应具有较 高的增益和温度稳定性。 3 ) 使能电路 f 二海大学硕l 学位论文 为有效降低系统功耗，系统中加入了使能电路，用以控制基准电压源和误 差放大器的开启关断。e n 是使能电路的输入信号，当e n 2 v 时，通过使能电 路启动受控模块，系统开始正常工作：当e n 7 0 d b 单位增益带宽 i m h z 共模信号范围：0 i v y 3 5 v 共模抑制比, 6 0 d b ； 3 ) 比较器( 电源电压4 2 v ) 输出电压低电平为0 v ，高电平为4 2 v ，传输延迟 5 0 d b ； 8 ) 使能信号e n 2 v 时，开启系统；当使能电压e n 7 0 d b ，单位增益带宽 i m h z ；在负载电流为1 5 0 m a 时，系统压差为 1 5 0 m v 。接着简单介绍了设计中要考虑的主要问题，如压差、静态电流、瞬态 响应等。最后利用系统小信号分析的方法，对整个系统的稳定性以及补偿措施 进行了深入讨论，对比传统的频率补偿和米勒补偿方法，最终采用电容反馈的 频率补偿方案产生一个可以精确控制的零点，达到补偿目的。 e 海大学砸士学似论文 第三章系统内部模块设计 3 1 主体电路模块 本章主要对系统内部电路进行具体设计，为方便介绍，将系统内部电路分为 主体电路模块、保护电路模块以及使能电路模块。其中主体电路模块包括带隙基 准电压源、误差放大器和调整单元：保护电路模块主要包括过流保护和过热保护。 3 1 1 带隙基准电压源 基准电压源广泛应用于模拟电路和数宁电路中，( 如：线性稳压器、a d 转 换器、d a 转换器、d r a m 和f l a s h 存储器等) ，它的精度和稳定性直接决定了整 个系统的精度和性能。因此，在现实应用中，为了提高整个系统的精确度、可靠 度等特性，常常需要一个不因电源电压和温度的变化而产生太大变化的参考电压 源。电压基准源有基于正向v e e 的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电 压基准、带隙电压基准等多种。其中，带隙电压基准具有低温度系数、高电源抑 制比、长期稳定性并且可与标准c m o s f _ 艺兼容等优点，因此本设计中设计了一 种基于c m o s t 艺的带隙结构的1 2 v 基准电压源。 由于该芯片的输入电压范围为3 7 v 至6 v ，工作温度范围( 自然通风) 为 3 0 。c 至9 0 。c ，基于此要求，设定1 2 v 基准电压源设计指标为： 温度( - 3 0 c - + 9 0 。c ) ，输出电压变化率6 0 p p m c ，波动绝对值5 m v ： 电源电压( 3 5 v 8 v ) ，输出电压波动l m v 。 3 1 1 1 带隙基准电压源工作原理 带隙l 毡压基准源设计的基本原理就是设法找到一个正温度系数与一个负 温度系数的电路元件或物理量，将两者相加并经过适当的处理而得到零温度系数 的参考电压值。为了明确带隙基准电压源的_ t 作原理及町行性，下面将以纯理论 来推导证明【2 0 】。如图3 1 是带隙电压基准源的原理示意图。由双极型晶体管中集 电极电流密度以： 海大学硕e 学位论文 仁譬唧附 ， 其中，o 为基区中电子的平衡浓度，d 。为电子的 平均扩散系数，为基区宽度。并由。= n 。饥， n ；= d t 3e x p ( 一。，一) ，于是可以得到： j c = a t e x p ( 半 ( 3 2 ) 图3 1 带隙基准电压源的原理示意 其中爿= 以q d 。，。是与温度无关的常数，v g 。是常温下硅的能隙电压，所以由 式( 3 2 ) 可得： 叱十争嘉) ， s ， 又由式( 3 2 ) 可知，在温度为t = 五时，集电极电流密度正，。为： 所以可得 以 凡。 j c o = a 和r 。吨 限a ， 7 唧陌 。一。一吃。 ( 3 5 ) 由式( 3 5 ) 可求得： 叱旧卜。+ q 阱了k t - n ，s ， 其中，。= 。l 。，、。= 以i t ：, o 又知电流密度l ，。zt “，所以，埘；求一阶导数可得 警k 半地刊， ， 其中。和y 是与温度无关而工艺相关的参数。 由式( 3 3 ) 可得到a 为： 上海大学碗士学似论文 = 瓢甜 然后我们对式( 3 8 ) 进行关于温度系数t 的微分得到 皇丝：丘1 。f 生1 ， a t t ，c 2j 为了在温度r = t o 时得到零温度系数的基准电压，令： 即 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 簪”k “3 a 引v “, 嘲- o ， k “马t on + 姓t o 啦，) ( 3 i 以：j 、 g 令k “- n ( 舞) ，则可求得k 因此，在温度t o 时，v “f 为 k ：鱼二垡! 业二型垡 。 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 。+ 堕( y - ( z ) ， ( 3 1 4 ) g 由式( 3 1 4 ) 可知，在温度t o 时v r e f 是与温度无关的恒定值，说明带隙基准电雎 源电路是可行的。 卜- 述只是对一阶温度系数作了分析，事实，r 如果考虑一阶特性，即直接对 _ 。，= + k “。作关于温度t 的微分，可得 = ( 1 - 爿+ 晤 + 了y k t - n ( 习+ i k t n 去 + k “等n ( 粤 ， ( 31 5 ) 一九t n j c n ( 盼c - ， 所以可得： 2 k o+ 淼 = = 卜海大学硕j 学位论文 卜。曙 2 。+ ( 。一) 寺十 ( 争 坚 q ( 3 1 6 ) 对上式微分可得： 等= 去( k “1 i k - n ( i j c i 卜，) 飘引， 把式( 3 1 2 ) 代入式( 3 1 7 ) 可发现，此时簪o ，说明此种结构得到的基准 电压仍然是一个与温度有关的函数。因此，由带隙基准电路得到的基准电压并不 是与温度完全没有关系，它仍会随温度的变化而作不同程度的变化，而所做的一 阶补偿其目的是控制该曲线的顶点落在温度t o 处。根据设计需求不同，有时还应 对该电路进行高阶补偿。 3 1 1 2 等效架构原理分析 如图3 - 2 是本设计中采用的带隙基准电压源的等效架构框图j 。它是将传统 v b v a 图3 - 2 等效架构框图 的电压相加型结构变成电流相加型结构，把两个温度系数相反的电流相加，得到 一个恒定的电流，冉将此电流l j 一个适当的电阻相乘即可得到所需电压。 图中v 。和v 。是放大器的两个输入端，则由于放大器的输入端筘制作用，使 圪= k 。取p m o s 管t p i 、t p 2 、t p 3 的宽长比相等，电阻r 1 = r 2 ，则， 丛 r 叫l 呼纠卜吖 灯一口 + 卜劲了 7 0 d b 单位增益带宽 i m h z 共模抑制l e 6 0 d b 共模信号范围：0 1 35 v 3 1 2 3 内部电路设计 本设计中采用的误差放大器是个双输入单输出的两级运放，如图3 8 所示。 它以p m o s 差分对t e l 和t p 2 作为输入级：由p m o s 管t p 8 和n m o s 管t n 6 组成 e 海大学硕士学位论文 的典型共源结构作为输出级，提供大的输出摆幅：n m o s 管t n 9 、t n l o 、t n l l 组 成误差放大器的使能部分，由使能电路的输出信号ve 。：和过热保护电路的输出 信号vo v e r - t e 丌m 经过组合逻辑电路得到的输出信号接e n 2 端，实现放大器的开 启和关断功能；e n l 端接过流保护电路的输出信号v o v er - l ，当负载电流超过最 大值6 0 0 m a 时，e n l 为高，实现误差放大器的关断；电阻r z 和电容c 。组成频 率补偿。根据设计要求主要从两级运放和频率补偿两个方面考虑来设计该电路模 块。 图3 - 8 误差放人器 1 ) 两级运放 如图3 8 中的实线部分是典型的两级差分运放，第一级是基本全差动放大 器，其中p m o s 差分对管t p l 、t v 2 组成的源耦合对作为差分输入，n m o s 管t n 3 、 t n 4 作为其有源负载：第二级是由n m o s 管t n 5 、t n 6 和p m o s 管t v q 、t p 8 组成 的差分运放组成，其中t p 7 和t p 8 是有源负载。p m o s 管t p l l 是偏置管，提供偏 置。 首先根据设计要求，从避免系统失调以及转换速率等方面对m o s 管的宽长 比进行匹配设置，即满足( w l ) = ( w l ) p 2 ，( w l ) ，= ( w l ) 。， ( l ) m ；= ( w l ) w 6 ，( w l ) ，= ( w l ) ，。 另外；由3 2 1 中对差分对增益的计算，可以类推出该两级运放的增益a 。 为： 爿，= a ，a ，：= g m - ，l , 2k 一，。i lr o - 7 j v34 ) g n , - r ns , 6k 一。，。| | r o - 7 j v e7 , s ) ，( 3 2 9 ) 而由上面分析知道，运放的增益是设计中的关键参数之，它直接关系到l d o 上海大学硕l 学位论文 的线性调整能力和负载调整特性，因此我们可以通过减小偏置电流i t p 或增加 耳。：和，。的宽长比来使误差放大器获得大的开环增益。另外，还可以发现其总 增益和一个共源共栅运放的增益差不多，但其输出v 0 摆幅为： k = 一l 一卜 2 ) 频率补偿 一个无补偿的两级放大器至少有两个极点，要使这种放大器能稳定地工作于 闭环结构，必须对之进行补偿。在两级运放中常采用的米勒补偿是通过在第一级 输出和第二级跨导级g 。u 的输入之间串接一个电容c 。实现。这种补偿的结果： 一是把与第一级电阻r ，并联的有效电容增大到g u r uc c ，使第一级极点p l 明显 地向复频面原点移动；二是由于负反馈降低了第二级的输出电阻，使第二级极点 p ：向远离复频面原点的方向移动。但是这种补偿方法又会通过c 。的前馈通路形 成一个右半平面零点，这是一个极不希望产生的根，因为它在增大增益的同时会 使环路相移更负，结果使运放的稳定性变差，因此必须减弱这个零点对运放的影 响 2 5 。为了在采用米勒补偿的同时控制右半平面( r h p ) 零点，我们在设计中通 过分别在补偿电容c 。的前馈通路中串联一个调零电阻r ：来抵消r h p 零点的影 响，如图3 8 中所示。 首先对使用调零电阻的两级运放一般模型进行小信号分析2 5 1 如图3 - 9 示。此 电路的节点电压方程为： + 鲁+ s g v - + 【去卜协。，c s s 细k + 鲁“c m 靠卜咿o ，c 。 注：式中与第一级有关的元件下标为i ，与第二级有关的元件下标为i i 。 图3 - 9 带凋零电阻的两级运放小信号模刑 上海大学硕士学f _ 论文 由此可解出两级运放的传输函数为： k - ) a 1 一s k c 。g 。u ) 一r ：c 。 ) 其中 a = g 。i g n u r l r u 1 + b s + c s 2 + d s 3 b = r 】( c c + c i ) + r u ( c 。+ c 1 ) + g m u r 【r c 。+ r ：c 。 c = r l r u ( c l c u + c i c c + c u c 。) + r ：c 。( 尺i c l 十r u c u ) d = r 1 r u r ：c i c u c 。 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 ，3 4 ) ( 3 ，3 5 ) ( 3 3 6 ) 当r z 小于r 或尺u 时，则采用这种补偿方法的两级运放的零极点可近似为 只兰 r l c ，( 1 + g 。u r u ) 兰二! 一，( 3 3 7 )、 乳弓r u c 。 p 1 兰 二坠h ! ! 兰二墨盟( 3 3 8 ) 2 c i c u + c 【c 。+ c u c 。c p ： 4 r ：c l z ，2 葡毒两 ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) 因此，可以通过调节调零电阻r z 的大小来达到控制r h p 之目的。 把上述结论应用到图3 - 8 所示的误差放大器电路中，可以得到这个误差放大 器的零级点为： e磊丽gmlgg5 k i u c - ， ( 3 4 1 ) m 】f 只：一堕，( 3 4 2 ) c 。 p 一一二14 一r c z = c 。( 1 g ，5 一r = ) ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) 上海大学硕 学位论立 为了实现极点p z 与零点相抵消，令足= z ，即 ( 3 4 5 ) ec ，( 1 g 一r ：) 耻去 h 封 a s ， 由此可见，在两级运放电路中使用调零电阻可以收到很好的效果，即使负载电容 很大，运算放大器仍然具有很好的稳定性。 3 1 2 4 仿真结果 1 ) 幅频和相频特性 在工作电压为4 2 v