（电路与系统专业论文）无线传感器网络soc节点018μm+cmos电源模块ldo的设计.pdf

摘要 摘要 近些年来，随着无线传感器网络在国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制 造业、反恐抗灾等领域的广泛应用，无线传感器网络的研究也越来越火热。实现无线传感器网络节 点s o c 芯片和射频收发芯片的单片集成，对推动无线传感器网络更深入广泛的应用起着重要的意义。 无线传感器网络射频收发芯片一个显著的特点是低功耗，对电源管理模块的要求就比较突出。由于 无线传感器网络的电源常常使用便携式电源，如锂电池等，需要一种能实现低噪声，高效率，稳定 的输出电压d c - d c 电源管理电路，而l d o 线性稳压器是一种比较好的选择。它在较宽的电源电压 变化范围内，可实现稳定的输出电压，并且有较大的电流驱动能力。 受国家8 6 3 计划项目资金的资助，本文通过对近十几年来国内外有关l d o 线性稳压器研究的调 研，采用s m i c0 1 8 z mc m o s 工艺，设计了一种应用于无线传感器网络射频收发机的l d o 线性稳 压器。 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推理和说明，并依据推导的结论与项目系统的特点，解释论 文中l d o 线性稳压器电路所采用结构的原因。l d o 电路的核心模块带隙基准源和误差放大器的设 计是整个l d o 电路设计的重点，l d o 线性稳压器的稳定性问题是设计的难点。对l d o 的频率补偿 问题进行分析，并且对两种有代表性的l d o 频率补偿电路，传统片外电容等效串联电阻补偿和压控 电流源补偿电路做出详细的分析和性能对比。接下来，介绍了c m o s 工艺的版图设计规则，对怎样 解决l d o 电路版图设计中出现的一些问题，尤其对功率调整管版图设计中出现的问题提出阵列分流 的方法加以解决。芯片面积为3 7 5 z m x 4 4 8 z m 。后仿真结果表明：电源电压2 1 v 到3 6 v 的变化范围 内，输出电压为1 8 0 0 v ，温度从4 0 。c 变化到8 5 0 c ，温度系数为6 8 5 p p m 。c 。论文最后给出了芯片 的测试验证，测试结果表明：带隙基准输出电压为0 4 2 9 v ，负载电流为5 6 m a 时，l d o 的输出电压 是1 8 5 0 v 。带隙基准的输出满足设计指标的要求，l d o 有待进一步改进。 关键词：低压降线性稳压器；误差放大器；带隙基准；p m o s 功率调整管 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nd e f e n c e ，t h es t a t es e c u r i t y , e n v i r o n m e n ti n s p e c t i o n ，t r a f f i cm a n a g e m e n t , m e d i c a l t r e a t m e n t , m a n u f a c t u r i n g ，a n t i t e r r o r i s ma n d a n t i c a l a m i t ya n ds oo n ，t h es t u d ya b o u tw s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) i sm o r eh o t t e rt h a ne v e r t h e r e a l i z a t i o no ft h em o n o l i t h i co fw s ns o c ( s y s t e mo nc h i p ) a n dr ft r a n s c e i v e rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r p r o m o t i n gw s n t ot h ed e e p l ya n dw i d e l ya p p l i c a t i o n t h ep r o m i n e n ta d v a n t a g eo fw s nr ft r a n s c e i v e ri s l o wd i s s i p a t i o n ，a n di th a sas t r i c tr e q u i r e m e n ti np o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e t h ep o w e rs u p p l yo fw s ni s a l w a y su s i n gp o r t a b l ep o w e rs u p p l y , f o re x a m p l e ，l i - b a t t e r ya n ds oo n ，t h e r e f o r e ，ad c - d cp o w e r m a n a g e m e n tc i r c u i ti sr e q u i r e dt or e a l i z el o wn o i s e ，h i g he f f i c e n c y , a n ds t a b l ev o l t a g eo u t p u t , a n dl d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) i 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 e v o l t a g eo u t p u t ，a n dh a st h eb e t t e ra b l i t yo fc u r r e n td r i v e s u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t , w i t hi n v e s t i g a t i n gt h ei n t e r n a t i o n a ls t u d yo fl d ot h a ti sf o ra b o u t t e ny e a r s ，l d oc i r c u i ta p p l i e dt ow s nr f - t r a n s c e i v e ri sd e s i g n e d ，a n dl d ou s e ss m i c0 1 8 a mr f c m o st e c h n o l o g y 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 fl 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 ，a n de x p l a i n st h er e a s o n f o ru s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ni nt h el d oc i r c u i tb a s e do nt h ec o n c l u s i o no fd e d u c t i o na n dt h ef e a t u r eo f p r o j e c t t h ed e s i g no ft h ec o r ec i r c u i to fl d ob a n d g a pr e f e r e n c ea n de r r o ra m p l i f i e ri st h ek e yi nl d o d e s i g n ，a n dt h es t a b l ep r o b l e mo fi d oi st h ed i f f i c u l tp r o b l e mi nd e s i g n t h e n ，a n a l y z i n gt h ep r o b l e mo f f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o no fl d o ，e s p e c i a l l y , t w ok i n d so fr e p r e s e n t a t i v ef r e q u e n c yc o m p e n s a t i o no fl d o ， t r a d i t i o n a lo f f - c h i pc a p a c i t o ra n di t se q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t e n c ec o m p e n s a t i o n ，a n dv o l t a g ec o n t r o l l e c u r r e n tc o m p e n s a t i o n ，a l ea n a l y s e di np a r t i c u l a ra n dc o m p a r e di np e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，i n t r o d u c i n gt h e r e g u l a t i o no fl a y o u ta b o u tc m o st e c h n o l o g ya n dh o wt os o l v et h ep r o b l e mo fl d o c i r c u i tl a y o u td e s i g n ， a l s o ，e s p e c i a l l yg i v i n gt h em e t h o do ft h ed e s i g no fp o w e rp a s st r a n s i s t o rl a y o u tw i t ht r a n s i s t o rs h u n ti n a r r a yi n ac r e a t i v ew a y , t h ec h i pa r e ai s0 3 7 5 z m x 0 4 4 8 a m t h er e s u l t so fp o s ts i m u l a t i o ni l l u s t r a t e dt h a t w 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 , a n dt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f l d oi s6 8 5 p p m 。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 。ca n d8 5 。c t h er e s u l t so ft e s t sa r eg i v e n i 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 tt h ev o l t a g eo u t p u to fb a n d g a pr e f e r e n c ei s 0 4 2 9 0 v , a n dt h a to fl d oi s1 8 5 0 v k e y w o r d s ：l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ；e r r oa 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 rp a s st a n s i s t o r m 插图 插图 图1 1 无线传感器网络体系结构2 图2 - 1 基本稳压源结构8 图2 - 2i _ d o 线性稳压器结构框图山9 图2 - 3l d o 线性稳压器的输入输出特性1 1 图2 _ 4m o s 晶体管亚阈值特性曲线【1 2 j 1 2 图2 - 5l d o 线性稳压器的电路结构图1 3 图3 - 1 两级运算放大器框图。1 7 图3 2 误差放大器电路图2 0 图3 3 采用理想电流源的电流镜偏置2 1 图3 4 采用电阻的电流镜偏置1 2 1 图3 - 5 产生与电源无关的电流的简单电路2 2 图3 - 6 带电阻约束条件的与电源无关的电流源电路2 2 图3 - 7 带简单启动元件的偏置电路。2 3 图3 - 8 误差放大器的差分跨导级电路2 4 图3 - 9 计算g m 的电路2 5 图3 1 0p 点接地时图3 - 9 的电路2 5 图3 1 1 计算r 删的电路，：2 5 图3 1 2图3 1 1 的等效电路2 6 图3 1 3电流源作为负载的共源电路2 7 图3 1 4 基本负反馈系统框图2 8 图3 1 5 不稳定系统和稳定系统的环路增益的波特图。2 9 图3 1 6 相位裕度分别是4 5 。，6 0 。，和9 0 。时闭环的时间响应3 0 图3 1 7 频率补偿方法。3 1 图3 1 8 两级运算放大器的等效电路图3 1 图3 1 9 前馈补偿的等效电路图。3 2 图3 - 2 0电源电压是2 1 v 时，误差放大器幅频与相频特性仿真曲线3 3 图3 2 1电源电压是3 6 v 时，误差放大器幅频与相频特性仿真曲线3 4 图3 - 2 2电源电压是2 1 v 时，误差放大器共模抑制的仿真曲线3 4 图3 2 3电源电压是3 6 v 时，误差放大器共模抑制的仿真曲线3 4 图3 2 4 电源电压是2 1 v 时，误差放大器电源电压抑制比的仿真曲线3 5 图3 - 2 5电源电压是3 6 v 时，误差放大器电源电压抑制比的仿真曲线3 5 图3 - 2 6 带隙基准原理图。3 6 图3 2 7 基本带隙基准电压源电路图。3 7 图3 2 8电流模求和的低电压带隙基准电压源电路3 8 图3 2 9 带隙基准中运算放大器电路。4 1 图3 3 0 低阻通路与启动电路4 2 图3 - 3 1n m o s 启动电路4 2 图3 - 3 2 零静态功耗n m o s 启动电路4 3 图3 3 3电源电压为2 1 v 时，带隙基准的温度仿真曲线，4 4 图3 - 3 4 电源电压为3 6 v 时，带隙基准的温度仿真曲线一4 4 图3 3 5电源电压为2 1 v 时，带隙基准电源电压抑制特性曲线4 5 图3 3 6电源电压为3 6 v 时，带隙基准电源电压抑制特性曲线4 5 i x 东南大学硕士学位论文 图3 3 7 图3 3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图销 图缅 图4 - 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图4 - 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图6 1 图6 - 2 图 图甜 图 带隙基准扫描电源电压( 2 0 v 4 0 v ) 的仿真曲线4 6 带隙基准启动过程仿真4 6 l d o 线性稳压器级联等效电路图4 9 负载电容的等效模型5 1 片外电容补偿的零极点分布图5 1 压控电流源频率补偿电路示意图5 2 电流源补偿电路图5 2 电源电压2 1 v 时，l d o 温度仿真曲线。5 3 电源电压3 6 v 时，l d o 温度仿真曲线5 4 电源电压2 1 v 时，l d o 电源抑制仿真曲线5 4 电源电压3 6 v 时，l d o 电源抑制仿真曲线5 5 电源电压2 1 v 时，l d o 输出瞬态特性前仿真曲线5 5 电源电压3 6 v 时，l d o 输出瞬态特性前仿真曲线5 6 l d o 的版图5 9 u ) o 温度特性后仿真曲线5 9 l d o 电源抑制特性后仿真曲线6 0 l d o 输出瞬态特性后仿真曲线6 0 l d o 电源电压扫描后仿真曲线6 1 l d o 芯片照片。6 3 芯片测试接线图。6 4 芯片测试带隙基准输出电压图6 4 芯片测试l d o 输出电压6 5 带隙基准芯片测试校正图。6 6 x 缩略语 缩略语 英文简称 英文全称 中文全称 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 o s 肿 m e t a l 一0 】【i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c t - t r a n s i s i t o r 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 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 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 c n 嗽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 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 m i cs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gi n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n中芯国际集成电路制造有限公司 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 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 s o c s y s t e mo nc h i p 片上系统 m a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 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 i 眦i 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 p d ap e r s o n a ld i g i t a la s i s i t a n t掌上电脑 e d ae l 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 i 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。 研究生签名：丕厶塞i 2 i 2 童 e l 期：2 塑盈玉 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。 研究生签名：孟! 塞三数导师签名： e t 期：22 q27 第1 章绪论 第1 章绪论 本章从介绍无线传感器网络入手，系统地阐述无线传感器网络的演变，发展，应用情况。在介 绍课题背景的基础上，对本篇论文的选题意义进行介绍和说明，然后根据调研的文献资料，介绍了 l d o 线性稳压器在国内外的发展状况，最后说明本论文的主要工作。 1 1 课题背景 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能 力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通 信能力的微型传感器。同时，由许多微型传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。无 线传感器网络是由一组传感器以a d - h o c 方式构成的无线网络，其目的是协调地感知、采集和处理网 络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观测者。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地 点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，并可以被广泛应用于国防军事、国家安 全、环境监测、交透管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。美国商业周刊认为无线传感 器网络是全球未来四大高技术产业之一，是2 1 世纪世界最具有影响力的2 1 项技术之一。m i t 新技术评 论认为，无线传感器网络是改变世界的十大新技术之一，无线传感器网络作为一种新的计算模式正在 推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国 军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研 究计划，投资3 4 0 0 万美元支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络 给予高度重视，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事无线传感器网络研究 项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划，世界很多国家 都纷纷展开了该领域的研究工作。我国最近几年也开始重视无线传感器网络技术的研究，国家自然 科学基金委员会资助了很多无线传感器网络研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来2 0 年技术预见研究”报告中，有7 项技术课题直接论述了传感网络。2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学 与技术发展规划纲要为信息技术确定了3 个前沿方向，有两个与无线传感器网络研究直接相关1 1 1 2 1 。 无线传感器网络目前通行的标准为正e e 8 0 2 1 5 4 标准z i g b e e 协议。z i g b e e 联盟制定t m a c 层以 上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。基于8 0 2 1 5 4 标准的传感器主要有两种使用方式：a d - h o c 方 式和接入点方式。a d h o c 方式：各传感器与控制设备组 成独立封闭的微网。传感器将数据发送给控制器，控制器据此完成相应的任务，数据不需要上传，一 切功能都在本地完成。这种情况常见于移动范围较大和信息数据自成体的应用，如机器人、汽车等。 接入点方式：各传感器之间可以互相访问，并可通过接入点与有线网上的设备交换数据，甚至可以再 次通过有线网上的另一个接入点与远端的设备互通信息。在这种情况下，无线成为有线的延伸和补充， 一般用于需要经常移动传感器的地方，及线缆密集不宣再度布线的地方。无线传感器网络的物理层研 究比较薄弱，还有很多问题待解决，如简单低能耗的无线传感器网络的超带宽和通带宽调制机制设计 东南大学硕士学位论文 问题、微小低能耗低费用的无线电收发器的硬件设计问题 3 1 。 无线传感器网络体系结构如图1 1 所示。它由三个主要部分组成：传感节点，终端节点和观察对 象。传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据，并将协同处理后的数据传送到接收器。 接收器可以通过i n t e m e t 或通信卫星实现传感器网络与任务管理节点通信，最终将信息传给用户。 图1 - 1 无线传感器网络体系结构 当然，无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点 集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。它们共同组成了传感器网络，导致 了一种全新的信息获取和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过 无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。同时， 无线传感器网络也是一种新型网络，其应用的需求促进了对它的研究。无线传感器网络从诞生至今， 研究者们在网络协议、能量优化、提高效率、降低成本等方面，做了深入的研究，取得了较大的进 展，为实现传感器网络的广泛应用奠定了技术基础。关键技术的进步将对无线传感器网络发展起到 决定性的促进作用【引。 1 2 选题意义 无线传感器网络的体系结构中，其中射频收发机作为一个重要的模块，对信息的传输以及控制 指令的传递发挥着重要的作用。如今，随着微电子技术和工艺的不断进步，系统集成和芯片集成也 成为了电子系统发展的一个趋势。无线传感器网络节点嵌入式s o c 芯片和射频收发芯片已经在国内 外一些公司和单位研发成功，已在市场上广泛出现。c h i p c o n a s 公司推出的2 4 g h z 射频收发器 c c 2 4 2 0 。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于z i g a e e 产品的r f 器件。它基于c h i p c o n 公司的 s m a r t r f 0 3 技术，以0 1 8 # m c m o s i 艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。c c 2 4 2 0 的 选择性和敏感性指数超过了正e e 8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此 芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达2 5 0 k b p s ，可以实现多点对多点的快速组网【5 1 。 系统芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 内部集成了越多的功能模块，通常情况下，这些功能模块的工作 电压不尽相同，需要专门的稳压器供电，因此，在s o c 芯片设计时，需要考虑如何有效地对系统内 电源系统进行动态管理，这就加速了对电源和电源管理芯片的开发需求：另一方面，各种便携式电子 设备，诸如笔记本电脑、移动电话、p d a 、c d m p 3 、数码像机、医疗仪器、测试仪器等基本上都采 用电池供电，如何有效地提高电池的使用寿命和解决散热问题变得更加突出，高效的电源管理技术 2 第1 章绪论 也是解决这些问题的关键。从电源市场的角度看，据统计，仅在中国，2 0 0 6 年电源和电源管理i c 销 售额已达到2 7 2 1 亿元，2 0 0 2 年到2 0 0 6 年实现复合增长率3 0 1 ，2 0 0 7 年中国电源和电源管理销售额 突破3 0 0 亿元。因此，研究和开发电源和电源管理i c 具有极高的市场潜力，前景非常乐观。 无线传感器网络自身的工作环境特点，决定了网络的设备要满足低功耗的特点。因此电源管理 在整个网络中起着重要的作用。电源管理模块作为无线传感器网络射频收发器的供电电源，必须具 有低噪声，高稳定输出电压，高电源电压抑制能力等特点。在众多的电源管理芯片中，相对于d c - d c 开关式稳压电源，l d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 线性稳压器的芯片面积更小、噪声更低、静态电流 更小，外围器件也更少，它在便携式电子产品中越来越受欢迎。它不仅可以作为独立的电源管理芯 片为各种便携式电子产品供电，更能够与d c - d c 开关式电源结合，将二者的优点充分发挥，提供高 效率且低噪声的供电系统。 因此，对无线传感器网络节点s o c 电源管理电路的研究有积极的现实意义，本课题所研究的电 源管理电路采用l d o 线性稳压器结构，作为射频收发器模块的电源转换器。 1 3 国内外研究状况 国内外的学术界对l d o 在近五年内的主要研究成果。2 0 0 3 年k an a n gl e u n g ，p h i l i pk t m o k 提出了一种应用于s o c 的i d o 线性稳压器，所提出的电路结构不使用片外大电容，采用阻尼系数 控制的方法来实现频率补偿达到环路稳定的目的，能提供1 5 v ，1 0 0 m a 电流的稳定输出，并且输出 变化恢复的时间在2 us 以内【6 】。c h a i t a n y akc 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，实现系统的稳定1 7 1 。k a ew o n g 和d a v i de v a n s 在2 0 0 6 年提出了采用0 1 3 l imc 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 ，它能提供2 8 v 稳定的输出电压，并且2 0 k h z 时的p s r r 为6 5 d b ，1 0 0 h z 的噪声小 - ：3 5 0 n v p 厄t e l 。最近两年，2 0 0 7 年台湾的1 i a n n 4 0 n gc h e r t ，f o n g - c h e n gy 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 t m c m o s 工艺，电路不使用电容，得到 1 5 0 m a ，1 2 v 输出电压【9 】。 采用双极性n p n 工艺技术的l d o 已经呈现出衰退趋势；双极性p n p 工艺技术的l d o 线性稳 压器还保持一定的市场份额。由于n p n 和p n p 双极性工艺压差和功耗大的问题，在对p m o s 、n m o s 和c m o s 技术进行大量研究的基础上，采用比双极性和b i c m o s 工艺更低功耗的前提下，大幅降低 i d o 压降电压，使l d o 真正进入低压降时代。而双极性和b i c m o s 工艺技术在军事和一些特殊应 用领域依然具有不可替代的作用。国外先进的i d o 线性稳压器具有优异的性能，在超小功率范围内， 例如1 f 1 公司的研s 7 7 0 0 1 等产品，采用p m o s 工艺制作，具有1 2 v - 3 3 v 多个固定和可调输出，压 差电压仅为3 5 m v 5 0 m a ，而静态电流在5 0 m a 输出时只有1 7 比a ：在中小功率范围内，压降电压在 5 0 0 m v 以下，输出电流从毫安培到几个安培的产品已经很普遍；a d i 的a d p 3 3 3 8 和a d p 3 3 3 9 两种 a n y c a p 系列，其压差电压为1 9 0 m v a t l u j 。 国内，l d o 线性稳压器的开发尚处于刚刚起步阶段，产品种类少，产量小，且大多数水平较低。 目前国内自主进行研发及生产l d o 线性稳压器的厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家。国产l d o 。 3 东南大学硕士学位论文 虽然已占据了相当市场，并有少量开始出口，但同国产手机、d v d 机产业一样，红红火火的表象难 掩其缺乏核心技术的尴尬，所以还需要花费大量的力气进行l d o 线性稳压器的研究和开发【1 1 】。 1 4 本文主要工作 本论文是基于东南大学射频与光电集成电路研究所申请的国家8 6 3 计划资金资助项目“无线传感 器网络嵌入式s o c 芯片及射频收发芯片设计”，研究应用于无线传感器网络射频收发机的电源管理 电路l d o 线性稳压器。调研了近1 0 年国内外关于l d o 线性稳压器研究的学术成果的基础上，确定了 线性稳压器所采用的电路结构，最终完成了l d o 电路设计，芯片测试工作。 论文的工作主要分为两大部分，第一部分是理论研究，第二部分是设计实践。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 设计的重点与难点，分析不同电路结构的特点，选择合适的电路模块。 l d o 电路的设计指标如表1 1 所示： 参数典型值 工艺s m i c0 1 8t u nc m o s 电源电压范围2 1 v 一3 6 v 总功耗 一 6 0 d b 0 h z 输出电流5 0 m a ( 最大1 0 0 m a ) 带隙基准输出电压 4 0 0 m v 输出电压1 8 0 1 v 效率 t 5 0 2 1 v 一3 6 v ，负载电流5 0 m a 采用s m i c0 1 8 z mc m o s i 艺，使用c a d 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 设计的一些主要性能指标，并且对 影响性能的些冈素进行分析和讨论。 第3 章l d o 核心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。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i n 。最后给出误差放大器和带隙基准的仿真 4 第1 章绪论 结果。 第4 章分析l d o 的稳定性问题，对比分析l d o 的频率补偿的几种方法，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，然后介绍l d o 版图设计遇到的细节问题，最后 给出版图后仿真结果。 第6 章给出芯片显微照片和测试结果，对测试结果进行分析说明。 总结对本论文的工作进行总结，对下一步的工作做出展望。 5 第2 章l d o 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 线性稳压器做系统的概述，包括i d o 的分类和用途，然后详细介绍了l d o 的 结构，最后对l d o 线性稳压器的系统做出了比较详细的分析，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 素方面。这一章是本论文工作的一个重点，试图将l d o 线性稳压器系统结构与性能之间的相互影响 因素分析透彻。l d o 系统与性能的分析是论文后续工作的基础与起点。 2 1l d o 线性稳压器的概述 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，也称为低压差线性稳压器，简称l d o ，是一个自 身功耗很低的电源系统，它通常由具有极低导通电阻r d st o n ，的m o s f e t 调整元件、基准电压源、 误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在同一个芯片上而成。i _ d o 不仅成本低，噪声低，静态 电流小，而且需要的外围元件也很少，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，最好选用l d o 线性稳压器，可达到很高的效率。锂离子电池电压转换为3 v 输出电压的应用中 多选用l d o ，虽说电池能量最后有1 0 没有使用，但是i d o 仍然能够保证电池的工作时间较长， 同时噪声较低。与开关稳压器相比i d o 线性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，它在调整元件上的压降非常低，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l d o 线性稳压器以来，已从最初的输入角俞出压差0 2 v 降至目前的5 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。依据不同的标准，我们同样对l d o 线性稳压器进 行分类。 1 、根据静态功耗的大小，可将i d o 线性稳压器分为全向功耗( o m n ip o w e r ) 、微功耗( m i c r o p o w e r ) 和毫微功耗( n a n op o w e r ) = 种产品，如表2 1 所示。 表2 1l d o 线性稳压器按功耗分类 1 2 3 0 种类 全向功耗微功耗毫微功耗 静态电流u a 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 2 、根据导通元件( p a s se l e m e n t ) 的不同，可将l d o 线性稳压器分为普通线性稳压器，低压差 线性稳压器和超低压差线性稳压器，如表2 2 所示。 表2 2l d o 线性稳压器按功率调整管元件的分类 稳压器类型普通线性稳压器低压差线性稳压器超低压差线性稳压器 导通元件n p n 达林顿管 p n i 功率管 p m o s f e t 7 东南大学硕士学位论文 控制特性电流控制电流控制 电压控制 输入输出压降高低 极低 静态工作电流低较低极低 电源效率低高较高 噪声性能低较低极低 目前，新型的l d o 线性稳压器有以下几个发展趋势： 1 、功耗越来越低，有利于增加电池使用寿命； 2 、压降越来越小，有利于提高电源效率； 3 、 噪声性能越采越好，更适合于对噪声要求苛刻的系统使用； 4 、片内频率补偿电路越来越复杂，有利于l d o 线性稳压器在负载大变化范围实现频率补偿， 不需要额外的片外元件； 5 、 封装小型化发展，有利于较小占用p c b 电路板的面积； 6 、 功能实现更加完整，过温度保护，过电流保护使芯片功能更加完善。 2 2l d o 线性稳压器的结构 2 2 1l d o 系统结构 l d o 属于恒压源，它能够随着负载电阻的改变而改变自身内阻，从而输出一个恒定的电压值。 如图2 1 所示 i