（微电子学与固体电子学专业论文）一款低功耗低噪声线性稳压器设计.pdf

， 、 j 1 -， ，：， 一 ：一 4 i l lll ii i i i i ii i i ii ii il y 17 3 6 8 9 0 l o wp o w e rl o wn o i s el i n e a rr e g u l a t o rd e s i g n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e - x um i n s u p e r v i s o r p r o f y a n gw e im i n g h u b e iu n i v e r s i t y w u h a n ，c h i n a 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：；1 ；秘酶l 日期：d ，d 年f 月1 5 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论 文：在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内 容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 指导教师签名： 日期：2 , , l a 6 、f 9 日期：山如，石一 摘要 近年来，电源管理类芯片设计技术不断提高，高集成度、高性能、低成本成 为广大设计工程师追逐的目标。其中，线性稳压器以其低噪声、高电源电压抑制 比、低e m i 等特点被广泛应用于各种直流稳压电路系统中。如数字信号处理器 ( d s p ) 、p d a ，m p 4 播放器、d c 、无线电话与网络、仪器仪表等。现如今，电源 管理i c 市场大部分被国外厂商产品所占据，研究和开发国内的电源管理i c 产品， 可以夺回巨大的市场并减小和国外公司的技术差距。因此，开展本课题的研究具 有特别重要的现实意义 本文首先介绍传统的线性稳压器l d o 的基本性能指标和工作原理，接着对线 性稳压器的瞬态，交流和直流三个方面特性对系统电路结构进行详细分析，对各 个子模块功能进行论述，主要针对线性稳压器的各性能参数和设计要点之间的折 衷关系。随后，从低功耗和低噪声的特点着手，对各子模块进行设计，从而确定 最终的芯片架构。最后，重点分析常见的l d o 线性稳压器的交流小信号j 建模， 分析系统的环路增益和电路中零点极点的分布情况，从而保证l d o 系统的稳性。 电路采用0 5 u m 标准c m o s 工艺进行设计，对l d o 线性稳压器在不同的m o d e l 、 输入电源电压、温度组合下进行模拟前端仿真和验证。设计目标为：该电路有较 宽的输入电压范围，输出电压为1 8 伏。并且具有热保护功能和限流保护电路， 保证芯片正常工作。同时，外围电路简单，大大降低了成本。 关键词：线性稳压器；带隙基准源：误差运算放大器 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p o w e rm a n a g e m e n ti cd e s i g nt e c h n o l o g yc o n t i n u e st oi m p r o v e ， 1 1 i 曲i n t e g r a t i o n ，h i 曲p e r f o r m a n c e ，l o w c o s td e s i g ne n g i n e e r sb e c o m et h ep u r s u i to f g o a l s a m o n gt h e m ，t h el i n e a rr e g u l a t o rw i t hi t sl o wn o i s e ，h i g l lp s r r , l o we m i ，e t e a r ew i d e l yu s e di nd cc i r c u i ts y s t e m s u c ha sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，p d a , m p 4p l a y e r , d c ，m o b i l ep h o n e sa n dn e t w o r k s ，t o d a y , t h em a j o r i t yo fp o w e r m a n a g e m e n ti cm a r k e ti so c c u p i e db yf o r e i g nm a n u f a c t u r e r sp r o d u c t s ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f d o m e s t i cp o w e rm a n a g e m e n ti cp r o d u c t s ，y o uc a l lt a k eb a c kt h eh u g e m a r k e ta n dr e d u c et h et e c h n o l o g yg a pa n df o r e i g nc o m p a n i e s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h i s s u b j e c ti so f p a r t i c u l a rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et r a d i t i o n a ll i n e a rr e g u l a t o rl d op e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s a n dt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e nt h el i n e a rr e g u l a t o r st r a n s i e n t ，a ca n dd c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e ea s p e c t so ft h ec i r c u i ts t r u c t u r eo ft h es y s t e mt oc o n d u c t d e t a i l e da n a l y s i so ft h es u b - m o d u l ef u n c t i o n w e r ed i s c u s s e d ，m a i n l yt h e l i n e a r r e g u l a t o rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dd e s i g nf e a t u r e so fe a c ht r a d e o f fb e t w e e nt h e r e l a t i o n s h i p t h e n , f r o mt h el o wp o w e ra n dl o wn o i s ec h a r a c t e r i s t i c ss e tf o rt h e v a r i o u ss u b - m o d u l ed e s i g nt od e t e r m i n et h ef i n a lc h i pa r c h i t e c t u r e f i n a l l y , t h ef o c u s o fc o m m o nl d ol i n e a rr e g u l a t o rja cs m a l l s i g n a lm o d e l i n g ，a n a l y s i ss y s t e ml o o p g a i na n dp o l ez e r oc i r c u i ti nt h ed i s t r i b u t i o n ，t h u se n s u r i n gt h es t a b i l i t yo fl d o s y s t e m s t a n d a r d0 5 u mc m o sp r o c e s sc i r c u i td e s i g n , o nt h el d ol i n e a rr e g u l a t o ri na d i f f e r e n tm o d e l ，i n p u ts u p p l yv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ec o m b i n a t i o n st os i m u l a t et h e f r o n t - e n ds i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n d e s i g ng o a l sa r e t h ec i r c u i th a saw i d ei n p u t v o l t a g er a n g e ，o u t p u tv o l t a g eo f1 8v o l t s a n dh a st h e r m a lp r o t e c t i o na n dc u r r e n tl i m i t p r o t e c t i o nc i r c u i t se n s u r et h ec h i p sw o r k m e a n w h i l e ，t h ee x t e r n a lc i r c u i ti ss i m p l ea n d g r e a t l yr e d u c ec o s t k e y w o r d s ：l i n e a rr e g u l a t o r s ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；e r r o ra m p l i f i e r i i i i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章引言 1 1l d o 线性稳压器的研究意义1 1 1 1电源管理i c 的市场前景1 1 1 2电源管理i c 未来的发展趋势2 1 1 3 线性稳压器与开关变换器区别和联系一3 1 2l d o 线性稳压器的研究目的3 第二章l d o 线性稳压器简介 2 2l d o 的基本性能指标6 2 3本章小结9 第三章l i ) o 系统架构的设计考虑 1 1 3 1l d o 系统电路的瞬态研究1 l 3 2l d o 系统电路的直流研究1 3 3 2 1负载调整率1 3 3 2 2线性调整率1 4 3 3l d 0 系统电路的交流研究1 4 3 4本章小结1 6 第四章模块电路的实现与仿真17 4 1基准与偏置电路的设计1 7 4 1 1基准与偏置电路的工作原理j 7 4 1 2基准与偏置电路的仿真j 9 4 2 误差放大器电路的设计2 3 第五章l d o 整体电路仿真与分析。2 7 5 1瞬态仿真与分析2 7 v 5 2直流仿真与分析2 8 5 2 1输出电压温度特性曲线分析2 8 5 3交流仿真与分析3 0 5 2 2电源电压抑制比的特性分析3 0 5 2 3l d o 的稳定性分析3 0 5 4本章小结3 2 第六章e s d 保护设计 6 1 e s d 失效造成的后果一3 3 6 2e s d 等效模型3 3 6 2 1人体模型的测试条件3 3 6 2 3充电器件模型的测试条件舛 6 3 e s d 保护电路设计3 5 6 4c m o s 工艺的e s d 设计原理3 5 6 5本章小节3 7 第七章版图与测试结果 3 9 7 1匹配电路的版图设计3 9 7 2 功率晶体管的版图设计4 0 7 3测试结果4 4 本文总结 参考文献。 致谢。 4 7 v i 4 9 5 1 第一章引言 第一章引言 随着电子计算机、通信通讯、多媒体技术走向融合的趋势以及集成电路的 集成水平按m o o r e 定律不断提高，越来越多的功能被集成到芯片、印刷电路板p c b 和电子器件中。例如，新型的智能p d a 不仅是通讯手机，还兼具游戏、数码相机、 音乐播放器和g p r s 等功能于一身，用户可以随时随地地进行通信、工作和娱乐活 动等活动，使生活走向智能化。虽然i c 的体积不断缩小集成度不断提高，包含的 功能模块却不断增多。消耗的功率却在成倍增长，每个模块都需要专门的稳压器 供电，因此对l d o 线性稳压器的性能要求更加复杂和严格，并不断追求高效率、 高性能和小尺寸。 本章先介绍电源管理i c 目前的发展趋势，接着论述论文研究的意义和目的， 然后分析线性稳压器的市场前景，进而为第二章对线性稳压器的研究做好铺垫。 1 1l d o 线性稳压器的研究意义 1 1 1 电源管理l c 的市场前景 从2 0 0 3 年至u 2 0 0 5 年的3 年持续高速发展之后，截至2 0 0 5 年全球半导体市场发 展趋缓，其中电源管理芯片实现销售额9 0 2 亿美元，同比增长8 9 9 6 ，远低于2 0 0 4 年增长率2 6 1 。但总体来看，中国电源管理芯片市场的市场格局未变，美国厂 商优势依然明显，从目前全球电源管理i c 厂商的区域分布来看，美国老牌模拟设 计公司位居第一，其次是欧美和日本公司。美国电源管理i c 的设计实力在历史 上一直处于领先地位，拥有t i 、f a i r c h il d 、n s 等一批具有全球影响力的名牌企 业。近几年来，得益于亚洲市场速发展的需求，美国电源管理i c 厂商一直保持快 速发展的态势。日本在该领域的公司主要有s e i k o 、s a n y o 、r i c o h 、s a n k e 等。中 国台湾的电源管理i c 的设计能力近年来迅猛发展，一些企业如雨后春笋般拔地而 起，比如a n p e c 、a m e 、r ic h t e c h 、a p o w e r 等一大批公司。 中国本土电源管理i c 的发展较晚，在技术和市场上都相对落后很多，但近年 一些中小型设计公司依靠反向设计，得到迅猛发展。这些公司当中多数由归国学 者创建，引入具有国际i c 公司工作经验的工程师和反向分析国外先进技术来提高 自身的核心竞争力。其中，亚芯微电子、上海贝岭、芯源和深圳美芯等公司都已 湖北大学硕士学位论文 经实现了产品量产。受至u 2 0 0 7 年金融危机的影响，下游整机设备对芯片需求的减 缓，电源管理芯片市场供求关系随之趋缓。如图1 所示，从2 0 0 2 年至1 j 2 0 0 5 年间电 源管理i c 市场需求量不断走高，最总于2 0 0 5 年趋向一个稳定的发展形式。 压o 豹0 l 嚣o l a o 5 0 o 细0 辉蠲年年约0 5 年 1 铺售额( 亿元- - - - 冈盼麓话率 数据来源：赛迪顾问( 2 0 2 ) 如图l 从2 0 0 2 年至1 j 2 0 0 5 年间电源管理i c 市场需求量 从整机应用领域而言，电源管理i c 市场主要使用于计算机行业、工业控制、 消费类电子、电子通信等领域。 1 1 2 电源管理lc 未来的发展趋势 电源管理技术正朝着电源管理功能与系统集成的方向发展，以下三大发展趋 势日益明显： 首先，尽可能提高电源管理i c 的功率转换效率，提倡绿色环保和节能的要求。 为了实现该特点电源管理i c 设计公司首选先进的半导体工艺，如德州仪器t i 采用 其“低电压低功耗的改进型c m o s i 艺 ，来驱动管的导通阻抗和静态电流，提高 其转换效率。 其次，最大程度地提高负载器件的功率利用效率，即如何为不同的负载分配 合适的功率，这也是一个充满潜力可挖的设计课题之一。美国国家半导体公司的 a v s 技术和t i 的d v f s 技术给出了两个很好的解决方案。 最后是减d , i c 的体积，减小其p c b 的面积占用率，进一步提高集成度，并采用 更先进的封装形式，如c s p 、d f n 等封装形式。与国外设计公司相比，中国的电源 管理芯片市场始终保持着快速的发展态势。 2 懈弼嫩麟摄蠼懈疆偿 第一章引言 1 1 3 线性稳压器与开关变换器区别和联系 线性稳压器是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为导致电路转 换效率较低的原因是l d o 的电源输入电压与输出电压之间的压差较大。但近年来 随着b c d 工艺的广泛应用，功率管的导通阻抗不断降低，与传统的线性稳压器相 比，近年来出现的l d o 的最大优点是漏失电压差很低，最小只有几百毫伏，甚至 某些小电流输出的l d o 其压差仅有几十毫伏。输入电压，输出电压与漏失电压之 间的数学关系为： 吃 + ( 1 1 ) 此时l d o 线性稳压器的效率很高，这和传统的观念有很大的不同，同时具备极高 的性价比。 开关式电压转换器主要指d c d c 转换器和a c d c 转换器，包括升压变换、降压 变换、升降压变换等几种拓扑结构。在开关稳压电路中有由2 个驱动管 ( h i g h s i d e l o w s i d e ) 一个工作在截止状态，另一个工作于饱，类似两个开关一 样不断地给负载供电。因此开关管的导通阻抗决定了导通损耗的大小。但开关式 电压转换器输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。 表1 - 1 两种直流电源调整器的特点比较 线性稳压器开关电源稳压器 指标 功能降压降压升压反相 效率 中两 功耗大较小 复杂度 低中到高 尺寸小 较大 成本低较高 纹波噪声低 较高 为了满足日益复杂的电子产品电源需求，实现更高效率和更低噪声的需要， 新一代高性能的电源管理方案将d c - d c 变换器与l d o 线性稳压器结合起来，相得益 障，从而达到高效率和低噪声的完美组合。 1 2l d o 线l 生稳压器的研究目的 综上所述，电源管理i c 市场的迅猛发展给工作效率偏低但成本较低的l d o 线 3 湖北大学硕士学位论文 性稳压器带来了巨大的发展空间；另一方面便携式电子产品对低功耗的强烈要 求，我们设计的l d o 稳压器必须尽量保证在微安级静态电流的特点，。因此我们 要深入研究l d o 电路，设计一款具有低功耗低噪声特征的l d o 系统结构。并且针 对这种系统架构设计出合适的频率补偿方案保证整体电路的稳定性。 4 第二章l d o 线性稳压器简介 第二章l d o 线性稳压器简介 2 1 l d o 的结构与工作原理 基本的l d o 线性稳压器包括运算放大器、功率管、基准电压电路和反馈比例 电阻组成，根据客户需要可以添加过温保护、限流保护等保护电路就构成了一个 完整的l d o 系统。基准偏置电路产生一个温度系数低，电源电压抑制比高的参考 电压源，它为误差运算放大器等其他电路提供基准电压偏置，并直接影响l d o 的 输出直流电压的精度和电源电压抑制比，以及噪声性能。如图2 - i 所示 图2 - i 传统l d o 的基本架构 e s r 袭电容 图2 2 p m o s 为功率管的l d o 图2 2 为p m o s 功率管型l d o 线性稳压器的基本结构图。从图中可以看出l d o 是由 误差运算放大器、功率管和比例电阻网络构成的一个负反馈系统。根据计算可知： 5 湖北大学硕士学位论文 ，a x 。嵩 2 矗 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，a 为系统开环增益，b 为比例电阻网络的负反馈系数。为减小输出电 压的误差必须使得彳夕 1 ，式( 2 - 1 ) 与式( 2 - 1 ) 联立可得： 等= 警( 2 - 3 ) 由式( 2 - 3 ) 可知，只要保证反馈电阻的高度匹配和基准电压的稳定，l d o 的输出 电压就可以实现恒定。 2 2l d o 的基本性能指标 ( 1 ) 线性调整率s 1 ， 参数意义：线性调整率s ，表明论文输入电压大小波动变化对输出电压的影响 程度，它是一个直流特性参数，线性调整率越小越好，说明l d o 对电源电压波动 的抑制能力。线性调整率主要依靠l d o 的直流开环增益，开环增益越高线性调整 率越好。 计算公式： = 丧1 0 0 ， 式中a v o 表示输入电压变化引起的输出电压变化。 ( 2 ) 负载调整率s 工 参数意义：负载调整率s 三表明了l d 0 稳压器输出电压随负载大小变化影响程 度，它是一个直流特性参数，该参数受到直流开环增益限制，负载调整率越小越 好。计算公式：咒2 彘1 0 0 ，式中圪表示输出负载变化引起的输 出电压变化。 6 第二章l d o 线性稳压器简介 l o a dr e g u l a t i o n8l d r l o a dt r a n s i e n tlm a x ( v l d r , v l d f ) 图2 3l d o 的负载调整曲线 ( 3 ) 静态电流。口 参数意义：静态电流是指稳压器正常工作时芯片内部电路消耗的电流，等于 输入电源电流减去输出电流，它是一个直流特性参数，反映了芯片的内部静态功 耗。静态电流越小，功耗就越小。过大的静态电流降低芯片的使用寿命。 计算公式：1 ) 在芯片正常工作状态：乇= 一l ；2 ) 在芯片使能关断状态：z 0 = l ( 4 ) 打开时问t o n 参数意义：反映了稳压器随e n 高电平阶跃响应时间；而s t a r t - u pt i m e 是 指稳压器随v i n 输入高电平阶跃响应时间，即启动时间。主要由基准建立时间， 稳压器最大输出电流决定。 计算公式：使能电压加o v e n h 的阶跃信号，电路从此刻开始响应到输出达 到其正常值的9 5 所需的时间。 ( 5 ) a c 线性调整率匕一， 参数意义：是指稳压器对输入电压上的a c 斜坡信号的调整稳压能力，反映 了输出电压对输入a c 斜坡信号的瞬态响应特性，通常以输出产生的脉冲峰峰值 v p p 表示。主要与稳压器回路工作带宽、响应时间及运放压摆率( s l e wr a t e ) 有关 计算公式：一p = 圪( 一p ) 一圪呻p ) ，( 输出最高峰值一输出最低峰值) 7 湖北大学硕七学位论文 y 拊4v o u t i n o - ) * i v 图2 - 4l d o 的线性调整率曲线 ( 6 ) 漏失电压y d d 参数意义：是指稳压器在允许的工作容差范围内最小的输入输出压差，主要 由调整管的导通输出阻抗决定，可增大功率管的宽长比减小漏失电压。 计算公式：输出电压达到比正常值小l o o m v 时，输入输出压差。需要说明的 是输入最小工作电压是2 5 v ，该项指标不应用于输入电压小于2 5 v 的情况，因 此对于输出电压小于等于2 5 v 的规格不适用。 图2 - 5l d o 的漏失电压曲线示意图 ( 7 ) 电源抑制比p s r r 参数意义：电源抑制比反映l d o 稳压器输出对输入电源交流纹波的抗干扰能 力，与纹波频率有关，是一个交流特性参数。 计算斌p s r r 划- 2 。g 筹 ( 8 ) 热关断t s d ( 热关断温度t s d t 和迟滞t s d h ) 参数意义：指稳压器工作温度达到一定值时过温保护功能个呢个启动，防 止芯片过热而损坏功率管，当工作温度降到一定值时过温保护功能关闭。 8 第二章l d o 线性稳压器简介 ( 9 ) 使能阈值电压v e n t 参数意义：指e n 引脚对电路实现使能开关控制的阈值电压，该电压会随温 度变化、电源电压变化、模型漂移而改变。因此使用该功能时必须注意该引脚所 加电压必须满足一定范围，即最大使能脚输入低电平( m a x i m u ml o wl e v e li n p u t v o l t a g ea te n ) v i l 必须小于最低的使能阈值电压v e n t ( m i n ) ( v i l v e n t ( m a x ) ) v u a m a x ) 吻脚 图2 - 6 使能阈值电压v e n t 和e n 脚输入高低电平的关系 ( 10 ) 输出电容及其e s r 参数意义：输出电容主要起到滤波，增强负载瞬态特性和保证电路的稳 定性的作用；而其e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) 一般来说是用来保证 电路的稳定性。通常以观察负载瞬态响应特性来确定电路是否稳定，设计仿真时， 则可以对t o p _ b l o c k 内部电路进行仿真，仿真方法参考报告“反馈系统回路传输 函数的仿真。通过对系统传输函数的分析就可以得到c o u t 和e s r 范围是否能满 足设计要求。 计算公式：只= 喾若，z 勰= 芴丽1 2 3本章小结 本章主要介绍了l d o 的两个部分，其一是l d o 线性稳压器的基本结构与工作 原理。其二重点说明了l d o 线性稳压器的部分关键性能指标的定义与计算公式。 为下面的论述做好理论准备。 9 湖北大学硕士学位论文 1 0 第三章l d o 系统架构的设计考虑 第三章l d o 系统架构的设计考虑 3 1l d o 系统电路的瞬态研究 瞬态响应是我们对l d o 线性稳压器的瞬态研究主要目标，瞬态响应是指输入 电源电压和负载阻抗发生阶跃变化时引起的输出电压恢复稳定的过程。l d o 线性 稳压器通常会给低压负载芯片供电，例如d s p ，f p g a 等数字逻辑控制芯片，这类 芯片存在各种工作模式之间的开关转换，其负载经常发生发生阶跃变化。同时由 于l d o 瞬态响应速度决定了负载电路恢复正常工作的能力，因此l d o 线性稳压器 的瞬态特性对负载的变化有很重要的影响。 v 幽 譬 笛 爨 时间( s ) 图3 一ll d o 线性稳压器的负载瞬态响应图 图3 1 为典型的l d o 线性稳压器负载瞬态响应曲线。当输出端的负载发生动 态阶跃变化时l d o 稳压器输出电压的直流脉冲值受到输出端负载电容的直接影 响。若输出电流乙从0 突然跳变到最大输出电流l o u t ( r m m ) ，那么输出端电压的最 大下降脉冲一一的表达式为： a v 一一：簪f + ：孕& + l 觚) 如 ( 3 _ 1 ) o u to 删 从( 3 1 ) 式可以看到一一即l d o 的瞬态响应的阶跃脉冲值是时间出、 输出电容巳，等的函数。式中的是输出电压的变化对输出电容寄生等效串 联电阻上产生的纹波，等效串联电阻越大越大，等效串联电阻值受环境温 度和信号频率影响而发生变化。影响闭环响应时间f 的因素包括：输出电容 湖北大学硕士学位论文 巳，、最大负载电流l ，。但在实际设计中，还要考虑功率管自身寄生的栅极电 容c 二+ ，其直接影响了误差运算放大器的摆率( 大信号的响应速度) ， 从而增大了闭环响应的时间，缸的表达式约为： 缸嘉+ 。= 嘉+ ，等 c 3 式中，名是指功率管栅极电压随负载阶跃变化而改变电压差值，l 是误差 运算放大器对补偿电容充电的电流。当t ，较大的时候，瞬态响应时间主要由l d o 负反馈环路的带宽而决定。因此在l d o 电路设计的过程中功耗与速度需要做一个 折衷的选择。随着阶跃响应的结束，系统经过厶后，输出电压重新回复稳定， 比标准输出电压值减小了匕。 圪艮懈l ( 麟) ( p 3 式中，凡一懈是l d o 系统的闭环输出阻抗，l 1 ，所以( 3 一1 2 ) 式近似为： 半忑志丽+ 警 倍 根据( 3 1 3 ) 式我们可以得到输入输出电压关系为： 些：生生 ! ( 3 1 4 ) a 吃置 g 砌g 哪8 ( 疋+ r 埘) 可见，反馈环路的开环增益越大则电压调整率越小。 3 3l d 0 系统电路的交流研究 本章我们主要针对l d o 系统的电源抑制比p s r r ，系统的环路增益和稳定性 等问题展开论述。 l d o 线性稳压器的电源抑制比特性反映了输出电压对输入电源电压的小范 1 4 第三章l d o 系统架构的设计考虑 围波动的抑制能力。图3 - 2 是对p m o s 作为功率管的l d o 的p s r r 小信号交流等效 模型，l d o 的电源抑制比的数学表达式近似为： p s r r 型： ! ：鱼垒坚型垒坠鱼 ( 3 1 5 ) 圪( s ) s 2 ( + ) + s ( g 叩+ g 2 + g l 吒) + g 叩g 。 g 施 吃( s ) 图3 - 2p m o s 型l d o 的p r s s 分析简化交流小信号模型 由( 3 - 1 5 ) 式可知，l d o 的p s r r 直流增益、零极点分别为： p s r r = 鲁石1 ( 3 - 1 6 )g 脚心一d 尉 乙一嗍一若一等曰黝( 3 - 1 7 ) 乙一一一毒 ( 3 - 1 8 ) 只。：盘墨生一一p ：g b w ( 3 1 9 ) a r m 雉舢2 i i 而蔑两一2 一 p 2 - p s r r - 。肇静 浯2 式中：g i = ( 如) 一、g 2 = ( 屯，) - 1 ；彳捌( o ) 、召i t a 、g b w 分别为误差 运算放大器的直流增益、带宽以及l d o 的增益带宽积。通过p s r r 的零极点分析， 可以得出以下结论： 湖北大学硕士学位论文 1 ) 误差运算放大器的直流增益彳捌( 0 ) 与低频段的p s r r 成正比关系，但是 高增益的放大器将会使单位增益频率变大，过多的极点包括在单位增益带宽之内 可能导致相位欲度偏低，影响体统的稳定性。所以稳定性和p s r r 之间要做一个 折衷考虑 2 ) p s r r 的第一个零点z l 和放大器的带宽成正比；第一个极点e 与环路的增 益带宽积成正比，它们应尽可能靠近以补偿相位的变化，但它们同样影响环路的 稳定性，必须折衷考虑。 3 ) p s r r 的第二个极点昱与输出电容成反比，虽然增大输出电容可以将第 二个极点向低频方向推进，来获得较好的p s r r 特性，但该方法同样可能会导致 整个环路的不稳定，所以输出电容的大小必须和p s r r 做一个折衷考虑。 3 4本章小结 综上所述，低功耗低噪声低的高性功能l d o 线性稳压器采用p m o s 晶体管作 为功率管，驱动能力较强的o t a 作为误差运算放大器，其输出端不采用缓冲级结 构。针对功率管栅极可能出现的中低频极点而导致l d o 系统的单位增益带宽较小 的情况从而导致l d o 的系统稳定性较差的特点，将在第四章提出具体的补偿方法 从而保证系统的稳定性并给出具体的电路结构图和详细分析结果。 1 6 第四章模块电路的实现与仿真 第四章模块电路的实现与仿真 4 1基准与偏置电路的设计 基准电压源是l d o 的核心模块之一，从上面的分析可知：l d o 输出电压的线性 调整率、电源抑制比、温度特性等相关指标均与基准电压有关。因此设计一种电 路结构简单而又具有良好性能的基准产生电路是非常关键的。 4 1 1 基准与偏置电路的工作原理 从低功耗的角度考虑，尽量减小基准电路所消耗的静态电流的同时保证基准 电压具有较好的温度系数、电源抑制比、线性调整率等要求，本文的基准电压源 电路选择了采用增强管与耗尽管相串联的方式，利用增强管阈值电压的负温度系 数和耗尽管电流的正温度系数相互抵消从而产生一个精度很高的基准电压。 图4 1 是基准电压源的电路结构图，具体工作原理为：n d m o s 栅源极相连 的耗尽管充当电流源，提供具有正温度系数的电流，栅源极相连的耗尽管电流公 式为k = 吉乙( ) 吆，由于耗尽管的阈值电压为负温度系数，根据饱和平方 律公式，耗尽管电流随温度上升而变大，其具备了正温度特性。当该正温度系数 电流通过增强管n m o s 的时候产生一个基准电压值。从图4 1 可以看出基准电 压v r e f 为： 厂_ 开一 酐州m 矿叫鬲南面+ i * r p p l u s ( 4 - i ) 根据该公试可知，我们利用增强管n m o s 的阈值电压的负的温度系数特性， 且通过该管的电流与阈值电压是平方关系即具有正的温度系数，通过调n m o s 、 n d m o s 的宽长比就能获得比较恒定的基准电压。同时增力n n m o s 的沟道长度，提 高支路的阻抗，使得基准电压具有较高的电源电压抑制比( p s r r ) 。r _ h p l u s 的作 用是提供正温度系数补偿，使输出基准电压的温度系数更小，基准电压更加稳定。 根据实际工艺的测试报告，我们可以看到相关参数随温度变化的曲线如图4 2 和 4 - 3 所示。 1 7 湖北大学硕士学位论文 v d d 图4 - 1 基准电压源的电路结构图 n o r m a l 嗍删捌 圆 v t ht e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tm i f 盯m 时 o4 0 t e m p e r a t u r e ( t - 2 5 。c ) 图4 2 增强型n m o s 的阈值电压随温度变化的特性曲线 可见，增强型n m o s 管的阈值电压随温度增加而减小，且线性度很高；耗尽型 n m o s 管的阈值电压随温度变化而减小。 1 8 眙 啦 啦 蛹 叮 嘴 - i o 一暑 图4 - 3 耗尽型n m o s 管的阈值电压随温度变化的特性曲线 表4 - 1p + 电阻的温度系数 p , m l t lh m ) e “懈咒”? 9 蟹搿弘。x 。”琏j 。 嚣z p 谢“卸 ”。j ”。蠡”节i 哪“琵m k 嘲曲( 舶臣) t c l q p 啦c )了c 2 魄m 2 )t c l o p m t c 2 ( p 旷c ：)t c l 饵m 叼 t c 倒弩)t c l 蚺哦叼t c 2 ( p l x n + u ) 7 9 5 1 3 80 9 6 5 6 3 l o 9 5 1 强0 9 6 5 6 j舛1 3 so 粥5 6 39 1 67 41 辩l i 舶9 5 1 3 8o 粥5 6 3”i 3 s覆9 6 5 6 39 7 7 0 21 舛1 5 髓 9 5 1 3 8o 蜘9 5 1 3 8o 9 6 5 6 31 0 5 9 31 7 1l 髓2 41 德5 5 对于p 型注入的扩散电阻，其温度系数如表4 - 1 所示。由表看出，其一阶温度 补偿系数约为9 5 0 p p m ，可满足设计要求。 4 1 2基准与偏置电路的仿真 4 1 2 1基准电压在每个工艺角下的温度特性曲线 e x p r e s s i o n sl 善 宝 一c - t r ：v o u t ， ， 一5 0 0 - 2 s 00 2 5 05 0 07 5 01 0 0 t e m d ( o 图4 4t y p i c a l 下的温度特性曲线 1 9 681 6 8 1 6 8 1 6 8 l 6 8 l 6 8 1 湖北大学硕士学位论文 ， ， ，。 ，p 、 ? l 一5 0 o一2 5 oo2 5 os o o7 5 o1 0 0 t t r n p 图4 - 5f a s t 下的温度特性曲线 5 9 0 5 8 7 5 8 5 s 8 2 董5 8 0 2 5 7 7 5 7 5 5 7 2 s 7 0 一5 0 0- 2 5 002 5 o5 0 07 5 01 0 0 l e t u p ( 0 图4 - 6s l o w 下的温度特性曲线 6 1 6 6 1 6 6 1 5 ；, 6 1 5 量 2 6 l 6 1 6 l 6 1 3 l | 1， ， 、 、 。 一5 0 02 5 oo2 5o 5 0 0 7 5 01 0 0 t e r n p ( o 图4 7s l o w _ f a s t 下的温度特性曲线 ，i 诒 ( 量o 第四章模块电路的实现与仿真 ，一 卜、 f |。 | | j 。 ，o- 2；o 2 5 05 i07 5o 1 l 图4 8f a s t _ s l o w 下的温度特性曲线 竺! ! 竺竺! ! 竺：! 竺 v o m 图4 9 各个工艺脚下的温度特性曲线 从图4 - 4 至u 图4 9 ，是在5 个工艺脚下的仿真曲线结果。仿真的温度范围从一4 0 摄氏度n 8 5 摄氏度，每个工艺脚下的基准电压温度系数根据公式为 p p m ： 丝二丝 m e a nxt e m p e r a t u r e r a n g e 分别计算各工艺脚见表4 - 2 表4 - 2 各工艺脚下的基准电压温度系数 ( 4 - 2 ) i t tf fs sf ss f a v e r a g e it c v ( p p m d e g ) 7 9 9 4 4 9 2 0 8 63 8 7 33 9 77 4 2 8 4 可见，温度系数并不理想，尤其是在s s 模式下。但是我们通过t r i m m i n g 的办法 可将温度系数调整好。 2 1 1 一 湖北大学硕士学位论文 4 1 2 2电源电压抑制比仿真结果 一c 以r ：陌r r 厂 7 7 。 7 ， 图4 1 0 在t y p i c a l 下的p s r r 曲线 可见，在低频1 k h z 时，p s r r 为1 0 0 d b 左右；高频1 0 0 k h z 时，p s r r 为5 0 d b 左右，电压基准源对电源电压波动的抑制能力非常的强。 4 1 2 3基准源电压的建立时间仿真结果 皇! 竺! 竺竺!- l l v o u l ( c - s ol l v o u l ( c - s s ) l l v o u t ( c - n ) m v o u t c - n ) l l v o u l c - f 1 ) 图4 11 各工艺脚下基准源电压的建立时间 表4 - 3 每个工艺脚下基准源电压的建立时间 第四章模块电路的实现与仿真 t t f fs sf ss f l t i m e2 3 u s1 0 8 u s7 5 6 5 u s1 1 6 u s 8 2 u s l 可见，基准电压源的建立时间较快，但是在慢工艺脚下比较差，这是由工 艺条件决定的。 4 2误差放大器电路的设计 本节主要介绍l d o 的核心单元结构，包括误差放大器，功率管和p t a t 电流源。 并结合整个环路系统进行稳定性分析，确定其主极点，次主极点和单位增益带宽 附件的零点。具体电路参见图4 1 2 m 1 7 卜 _ 1 8 + l m 1 2 l m 1 3 m 1 2 r 6 r 7 4 ：1 m i 4 耵r ip 毒- 喜l 一 ? l 3 肾 呐l 。一 ll 鼍| m 5 ? - l 曩 衲飓 l p e b ! 蔓芝r 笛l - i 呐* r j r r 1 柏的 酷r ； 陀 c l o a d 图4 - 1 2l d o 的核心电路设计图 l d o 的核心电路由p t a t 电