（微电子学与固体电子学专业论文）一种低压差线性稳压器的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 低压差线性稳压器l d o l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r 是一种输入电压大于输出电 压的直流线性稳压器 具有输入输出响应快 输出噪声低 外接元件少 使用方便 价 格低廉等优点 被广泛应用于汽车电子产品 便携式电子设备 通讯设备 工业和医疗 设备领域 随着l d o 线性电源的广泛应用 l d o 的性能指标也是在逐步提高 本文在 分析l d o 设计原理的基础知识上 设计了一种新型的电源管理芯片 本文设计的l d o 电源管理芯片在正常工作状态下芯片自身消耗的电流小于1 5 0 u a 满足了低功耗的要求 l d o 稳定的输出3 3 v 电压 并可以提供不小于2 0 0 m a 的负载驱 动能力 两只电子开关可导通不少于1 5 0 m a 的电流 导通后阻抗小于0 2 0 采用具有 低漏失特性的p m o s 管作为调整元件 提高了芯片的整体效率 使用旁路滤噪电路 滤除输出电压噪声且改善了电源抑制比 使芯片更加切合小型系统的应用需求 另外其 中的快速启动电路解决了由旁路滤嗓电容引起的启动时间过长问题 在设计过程中还充 分考虑了各种意外情况的发生 芯片中包含有欠压保护 过温保护 输出过流保护电路 在保护芯片自身的同时 也有效的保护了次级负载电路的安全 本文中首先阐述了l d o 线性降压交换器的基本原理 给出理论依据 然后根据功 能需要进行了电路的总体结构设计 再对电路的所有予模块电路进行了详细分析 借助 设计软件c a d e l l c e m p i c e 对子模块电路进行了完整的设计和模拟仿真 给出了合理的 电路数据 各子模块电路的电特性参数均达到或优于设计所需指标 最后 对整体电路 进行了联合仿真 模拟结果表明该电路完成了设计功能 达到了预先制定的设计指标 关键词 低压差线性稳压墨 电源管理芯片 线性 误差放大器 大连理工大学硕士学位论文 t h e s t u d ya n dd e s i g no fal o wd r o p o u tr e g u l a t o r a b s t r a c t l o w d r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r i d oi sa d cl i n e a rr e g u l a t o rw h o s ei n p u tv o l t a g ei sl a r g e r t h a no u t p u tv o l t a g e i to w n sf a s ti n p u to u t p u tr e s p o n s e l o wo u t p u tn o i s e f e w e re x t e r n a l c o m p o n e n t s c o n v e n i e n tu s a g e a n dl o wc o s t t h e r e f o r ei t i sa p p l i e db r o a d l yi na u t o m o b i l e e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s p o r t a b l ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s i n d u s t r i a la n dm e d i c a lf i e l d s o n t h eb a s eo fa n a l y s i sd e s i g np r i n c i p l e w ed e s i g nan e wk i n d o fl d op o w e rm a n a g e m e n tc h i p t h ep o w e rm a n a g e m e n tc h i pc o n s o l n e sl e s st h a n1 5 0 u ai nn o r m a lw o r km o d e s oi ti s s a t i s f yw i t hl o w p o w e rd i s s i p a t i o n sa p p l i c a t i o n t h el d oo u t p u t saf i x e d3 3 vv o l t a g ea n di t c a np r o v i d em o r et h a n2 0 0 m ac u r r e n t sl o a dd r i v i n gc a p a c i t y t h el d oh a sg o o dl i n e r e g u l a t i o n l o a dr e g u l a t i o na n dp o w e rs u p p l yr e i e c tr a t i oa b i l i t i e s t h et w oe l e c t r o n i cs w i t c h e s c a nd r i v en ol e s st h e n1 5 0 m ac u r r e n t a n dw h e nt h e yt o mo n t h er e s i s t a n c ei sl e s st h a n0 2q i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c y t h ep m o st r a n s i s t o ri s a d o p t e dt oa c h i e v et h eu l t r al o w d r o p o u tv o l t a g e t h eb y p a s sc i r c u i ti sd e s i g n e dt or e d u c et h eo u t p u tv o l t a g en o i s ea n d i m p r o v ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o n w h i c hm a k et h ec h i pa d a p tt os m a l ld e v i c e s f u r t h e r m o r e i t s f a s ts t a r t u pc i r c u i ti sd e s i g n e dt or e d u c et h es t a r t u pt i m e bt h ep r o c e s so fd e s i g nw ea l s o c o n s i d e r 枷k i n d so fu n e x p e c t e ds t a t u so c c u r s t h i sc h i pc o n t a i n su n d e r v o l t a g el o c k o u t o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n o u t p u to v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n a l lt h e s em e a s u r e sn o to n l yp r o t e c tt h e c h i ps e l f ss e c u r i t y b u ta l s op r o t e c ts u b e i r e n i t ss e c u r i t y d u r i n gc i r c u i td e s i g n i n g t h eb a s i ct h e o r yo fl d ol i n e a rb u c kr e g u l a t o ri sg i v e nf i r s l t h e nt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ei ci sd e s i g n e db a s e do ni t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n t a n dt h e n d e s i g nt h es u b b l o c kc i r c u i t s i nd e t a i l s a p p l y i n gc a d e n c ea n dh s p i c et os i m u l a t et h e s u b b l o c kc i r c u i t sa n dw h o l ec h i p a n dg i v i n gt h er e a s o n a b l ee l e c t r i cc i r c u i td a t a t h er e s u l t s j n d i e a t et h a tt h ei ch a sa c h i e v e dt h e i rf u n c t i o no b j e c ta n dn u m e r i co 协c c t k e yw o r d s l d o p o w e rm a n a g e m e n tc h i p l i n e a r e r r o ra m p l i f i e r 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 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的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 吼毕 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士学位 论文版权使用规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 储签名 滥堡过堑蛰 锄魏叛亟幻 篮1 年 月 生日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算 通信 多媒体技术走向融合的趋势以及集成电路的集成水平按摩尔法则 不断提高 我们看到越来越多的功能被集成到芯片 印届4 电路板和电子器件中 例如 新型的智能电话不仅是蜂窝电话 还兼具p d a 数码相机 m p 3 播放器和g p s 功能 于一身 使用户可以随时随地方便地进行通信 工作和娱乐活动 尽管器件的体积不断 缩小 包含的功能模块或子系统却不断增多 消耗的功率在成倍增长 每个模块都需要 专门的稳压器供电 因此对电源管理的要求更加复杂和严格 讲究高效率 高性能和小 尺寸 本文设计的l d o 线性降压变换器属于电源管理电路的一种 其较低的输入输出压 差使电池具有更高的使用效率 众多便携应用的设计者将从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 也可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 系统处于关断模式时 超低的静态电流可降低电路功耗 宽裕的输入电压范围 2 5 v 5 以及变换器与l d o 之间相互独立的工作方式为多种应 用提供了设计灵活性 1 1 模拟电路芯片设计发展现状 本论文的电路电路设计采用b i c m o s 工艺 模拟电路设计与数字电路设计不同 不 需要很小的尺寸 通常工艺条件0 5 u m 即可 模拟电路的设计与半导体工艺紧密相关 氧化层栅氧电容c o x 大小 m o s 器件的宽长比 器件阚值电压等都将决定设计的结果 m o s 晶体管在饱和区 线性区工作电流为 饱和区 l i 1 c 警 一 2 1 九 1 1 线性区 叫 詈 一 虼一圭嘧 1 2 对于不同的半导体工艺 这些参数都不相同 因此每个版图设计都只对应特定的工 艺库 如果更换工艺库后版图必须从新设计 通常工艺库提供增强型n m o s p m o s 多晶硅电阻 扩散电阻 多晶硅平扳电容 肖特基二极管 横向p n p 晶体管 纵向p n p 晶体管 纵向n p n 晶体管 非门 与非门 或非门等标准单元库 甚至半导体厂商还有偿提供迸本单元电路 如比较器 带隙基准 大连理工大学硕士学位论文 电源 锁相环单元 a d d a r a m f l a s hr o m 的标准单元等 此外还有一些半导 体工厂提供一些特殊的半导体工艺 如耐高压晶体管 c m o s c c d 传感器等等 芯片模拟电路仿真的e d a 工具主要为s y n o p s y s 公司的h s p i c e 和c a d e n c e 公司的 s p e c t r e 等 半导体仿真库s p i c e 模型主要有i x v c li i v e l 2 l e v d 3 b s i m l b s i m 2 b s i m 3 等模型 l e v e l l 2 3 模型设计是建立在半导体物器件理模型的基础上 l e v e l 3 可以模拟小于3 u m 的特征尺寸模型 b s i m l 2 3 是建立在经验公式基础上 其中 b s i m 3 v 3 已经成为半导体行业标准的仿真模型 在工艺制作方面 不同批次会出现微 小的差异 因此半导体厂商通常会给出至少三种工艺模型 最好 普通 最差 在设计 过程中应留有一定余量 保证仿真时使用最差的库模型也能达到设计指标要求 目前各 家半导体工厂提供的仿真的库模型都是b s i m 3 v 3 版本的 集成电路设计过程中 e d a 工具是非常重要的一环 e d a 工具推陈出新极大的促 进了集成电路产业发展 在模拟集成电路设计e d a 方面 c a d e n c ei c 5 0 提供了从前端 到后端一整套解决方案 包括模拟电路设计环境 a d e 仿真验i 正 s p c c t r e 版图制作 v i r t u r o 设计规则检查 d i v a d r a k u r a 测试向量激励 v e r i l o g x l 另外s y n o p s y s 公司的h s p i c e 在模拟集成电路设计中非常著名的仿真验证工具 它的仿真精度目前是 最高的 但这也使它的运算时间相对变的很长 芯片流片之后 在封装前要对其进行测试 在设计过程中 需要对芯片进行各种测 试 以检验芯片是否达到设计要求 如果芯片不能正常工作或是达不到设计要求 则需 要对设计作出修改 剔除错误 然后从新流片进行测试 在芯片设计通过进行生产的过 程中 同样需要对芯片进行测试 目的是剔除生产出的不合格产品 对芯片的测试通常 要覆盖功能的9 0 以上 如何在尽可能短的时间内完成测试是 煲i 试工作发展的主要方 向 在芯片的封装之后还需要在进行一次测试 以保证出售芯片的可靠 封装的目的将半导体芯片安装在一个固定封装体内保护半导体芯片 封装技术在近 几年也随着芯片设计同步发展 封装形势从早期的双列直插到扁平四边在到b g a 等丰 富多彩 封装材料也从早期的铜片到塑料在到陶瓷等封装也是层出不穷 现在还出现了 多核心统一封装的技术 将不同功能的多个半导体芯片组成系统封装在一个封装体内 封装技术的研究主要是满足半导体芯片功耗增大后的散热问题和如何减小芯片p a d 与 外部引脚间连线的寄生电容等效应以提高芯片的工作频率 大连理工大学硕士学位论文 1 2 电源管理电路的发展现状及其分类 本文设计的l d o l o wd r o p o u tv 0 i t a g cr e g u l a t o r 属于电源管理电路的一种 其较低 的输入输出压差使电池具有更高的使用效率 l d o 是近几年发展迅速的新的电源芯片 主要特点是输出电压可以很低 输入输出电压差很小实现高效电源变换 以p m o s 晶体 管为功率通路器件是压差可以达到3 5 3 0 0 m v 具有很高的电源抑制比 低e m i 辐射 主要应用于手机等对电源要求很高的低压供电系统 l d o 经过近几年的快速发展 同时也衍生出多种产品 在移动电话 p d a 数码相 机 m p 3 m p 4 机顶盒等须低电压供电的电子设备中大量的应用 l d o 的设计也在发 生变化 更高的性能指标 更简便的外围电路 这样的产品也逐渐被开发出来 例如以 前设计i d o 输出端并联的电解电容正在囱漏电更小 尺寸更小的片式陶瓷电容方向发 展 电源及电源管理i c 市场在过去几年中得到了快速的发展 从1 9 9 8 年到2 0 0 0 年 半导体工业冲向新的高度 合并与收购 新品开发及公司发展速度都达到l o o 的水平 电源与电源管理i c 市场在1 9 9 8 年市为2 8 亿美元 到2 0 0 0 年底则达到5 1 亿美元 以上 年平均复合增长率达3 5 但2 0 0 1 年增长率出现巨幅下降 电源管理i c 市 场在1 9 9 9 年和2 0 0 0 年期间出现了一系列翻天覆地的合并和收购 这种浪潮在2 0 0 1 年有所减缓 但仍可能在2 0 0 2 年继续下去 v i s h a y 于2 0 0 1 年8 月宣布收购g e n e r a l 半导体公司 出价5 3 8 9 亿美元 外加2 2 9 4 亿美元的假设债务 g e n e r a l 半导体最近 发表了一系列电源管理i c 新产品线 包括l d o 和电压调节器 该收购将给v i s h a y 带来更宽广的分立电子元器件产品线 并提高在电源管理i c 上的研发力量 1 2 m a x i m 集成产品公司于2 0 0 1 年4 月1 1 日以2 5 亿美元收购了达拉斯半导体公 司 达拉斯半导体生产全面的电量显示和保护用电池管理i c 此次收购扩大电源管理 电路根据结构不同可分为以下几类 嘲 1 a c m c 离线变换器 a g d c 离线变换器内含低电压控制电路及高屯压开关晶体 管 2 功率因数校正 p f c 预调器 这些i c 提供具有功率因数校正功能的电源输入电路 3 脉宽调制 脉频调制 p w m p 踟 控制器 p w m p f m 控制器为脉冲频率调制和 或 脉冲宽度调制控制电路 用于驱动外部开关 p w m i f m 控制器与开关变换器之间的区 别是 控制器驱动外部开关 而变换器将开关集成到内部 4 d c d c 变换器 它们包括升压 降压变换器 以及电荷泵 5 线性变换器 线性交换器包括正向和负向变换器 以及低压降l d o 变换器 大连理工大学硕士学位论文 6 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l c 线性电压变换器的主要特点是功率器件工作在放大状态 具有稳定度高 可靠性好 成本较低等优点 但有用 价格便宜 从而受到欢迎 根据线性电压变换器导通元件 p a s s e l e m e n t 结构的不同 线性电压变换器可分为三类 6 l 1 标准的 n p n 达林顿 线性电压变换器 2 低压降 l d o 线性电压变换器 3 准l d o 线性电压变换器 上述三类线性电压变换器最主要的差别是电压降 d r o p o u tv o l t a g e 的不同 所谓 电压降是指保持线性电压交换器正常工作而在变换器上所需的输入输出最小电压差 线 性电压变换器设计的关键之处是在最小的输入电压下 使变换器正常工作而消耗在内部 电路上的功耗尽可能少 效率更高 在上述三类线性电压变换器中 低压降线性电压变 换器所需压降最小 效率最高 而标准的 n p n 达林顿 线性电压变换器所需压降最 大 因而其效率最低 本文设计的正是在三类线性电压变换器中所需压降最小 效率最 高的低压降 l d o 线性电压变换器 大连理工大学硕士学位论文 第二章线性低压差电源设计 l d o 线性低压差电源 可应用于电池供电的产品中 低漏失电压特性保证了 电池使用效率高 而且效率将随着电泡电压韵下降而上升 低静态电流低延长了电沲的 使用时间 2 1l d o 系统原理 l d o 原理如图2 1 所示 其中c 是外接负载电容 r e s r 是电容的等效串联电阻 r 是负 载 l e o 主要包括四部分 带隙基准电压 v o i t a g er e f e r e n c e 误差放大器 e r r o r a 胛 电压调整器件 v o l t a g er e g u l a t o r 也称为通路器件p a s se l e m e n t 反馈网络 f e e d b a c kn e t w o r k 图2 1 l d o 原理餮 f i g2 1l d or a t i o n a l e l d o 简化模型如图2 2 所示 电压调整器件是一个p m o s 管 相当于一个压控电阻 由c o n t r o l 端电压控制电阻r 大小 输出电压 是由哗 与负载r 工分压得到的 若负 载发生变化 控制端电压也随之变化控制r r e 值 这样保证输出电压稳定 电压调整器 件必须工作在饱和区 因此电压调整管的尺寸通常将变得很大使调整管处于饱和区以满 足更小的输入输出压差 模型图中的r l 实际是输出负载与反馈电阻网络的并联足 暑 蜀 马 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 i d o 简化模型 f i g2 2l d os i m p l i f i e dm o d e l l d o 线性低压差电源的工作原理如图2 1 输出电压经过采样反馈网络r 1 r 2 后和 误差放大器的同向端连接 并与带隙基准电压源输出的参考电压比较 控制电压调整管 保持输出电压稳定 假设输出电压变大 经反馈电阻r t r 2 分压后 误差放大器的同向 端v a r y 电压升高 使误差放大器的输出电压升高 功率通路器件栅源电压v g s 减小 导 致r p e 变大 迫使输出电压降低 这样整个回路构成一个深度负反馈的系统 认为误差 放大器输入端电压相等的情况下 可以得到输出电压为 岷 1 争 要得到上述结论 端的差模电压 2 2e d 0 主要参数 2 1 误差放大器的增益要达到6 0 d b 以上 这样才可以忽略放大器输入 2 1 1l d 0 静态电流及效率 静态电流 q u i e s c e n tc u r r e n t 是指输入电流与输出电流间的差值 静态电流是芯片工 作消耗的电流 对于设计来说总是希望静态电流越小越好 静态电流越小l d o 效率越 高i i d 1 w l 口 2 2 大连理工大学硕士学位论文 静态电流包括各种偏置电流和电压调整管的驱动电流 偏置电流为l d o 各部分功 能模块供电 在一般的设计中静态电流为m a 量级 在本论文设计中 芯片应用于低功 耗产品中使用 在电路的结构设计上也采取了一些减小功耗的方法 因此l d o 静态电 流为1 0 0 u a 2 3 在l d o 带有负载工作时 若电流较大 例如负载电流为1 0 0 m a 这时可以忽略 静态电流 则厶啦一 肿 效率可以近似为 叩 竖牛 鳖 监 1 k 2 4 圪 乇 吃 其中 v 表示输入电压与输出电压间的压差t 根据2 3 公式看出 输入输出问 压差v 越小 l d o 的效率越高 功率通路管承受的电压玩 与管内电流 的乘 积则为损耗功率 这部分以热量形势释放 因此在设计l d o 过程中 应考虑损耗功 率大小决定芯片最后采用的封装形式 2 2 2 功率调整管的选择 l d o 的功率调整管可以是p m o s n m o s p n p n p n d a r l i n g t o n 晶体管 在这些 晶体管中 由p m o s 晶体管构成的调整管压差最小 对于p m o s 晶体管 v d v 2 5 n m o s 晶体管 v 岬 v v 2 6 p m x x 极晶c e v d 州 v 2 7 n p n 双极晶体管 v 枷 v v k 2 8 d 越j n 垂o n 晶体管 v m v 2vb 2 9 双极晶体管组成的调整管与m o s 管相比 双极晶体管在使用相同面积硅片下可以 刘通更大的电流 而且启动时间快 但是以双极晶体管构成调整管自身也有明显的缺点 由于工作时基极需要驱动电流 因此静态电流比m o s 晶体管大许多 一般输出电流在 大连理工大学硕士学位论文 1 s a 以上时的设计才采用双极晶体管 本文设计的l d o 输出电流为2 0 0 m a 选择p m o s 为电压调整管 2 2 3 负载调整率与线性调整率 1 输出负载电流发生变化时 输出电压也随之有微小的变化 因此负载调整率 l o a d r e g i l l a t i o r l 定义为 负载调整率 a 虬v o 2 1 0 图2 3 p m o s 调整臀 f i g2 3a d j u s t m e n tt r a n s i s t o r 负载调整率用来描述在负载发生变化时l d o 对输出电压稳定的保持能力 如图2 3 如果误差放大器增益4 功率调整管的跨导为 当误差放大器同向输入端变化 k d 一 巧如g 村 2 1 1 一纛 v o 2 1 2 负载调整率 瓦a v o 一石1 半 眩脚 大连理工大学硕士学位论文 图2 4l d o 负载调整率示意图圉2 5l d o 线性调整律示惑凰 f i g2 4l o a dr v g u l a t i o n f i g 2 5l i n e a rr e g u l a t i o n l d o 线性调整率 l i n er e g u l a t i o n 反映的是输入电压变化时 i d o 对输出电压的稳 定能力 定义为 线性调整率一a v 嵋o 2 1 4 如图2 l 输出端负载昱 与反馈网络是 恐并联 用屯表示 r l 置 岛 以吃表示输入端到输出端的等效电阻 则在输入电压发生变化后ti d o 的输出可 表示为 一去 一去 去巧 g a v d k 训 旺 k 一彘吃 带入2 1 6 式 2 1 7 大连理工大学硕士学位论文 拦竺些竺 晓 r 足 如如置屹 通常我们认为墨 毛 g 4 蜀s r r 因此忽略墨 墨项 y o 瓦 嵋 警k 汜 对2 1 9 两边巧求偏导 一a v o 墨 垦 2 2 0 a 巧瓦 屯鼬如足 线性调样 筹 丽1 苏 2 2 1 2 2 4 电源抑制比 电源抑制比 p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 表示l d o 对输入纹波抑制能力 通常考察 在整个扩展频带上增益情况 p s r r 是l d o 设计的一个重要参数 它直接关系到l d o 输出电压的纹波大小 p s r r 定义为 p s r r r o 蛔p u 2 2 2 嵋揪 p s r r 主要与带隙基准电压源和误差放大器的p s r r 相关 并且l d o 的p s r r 主要 受带隙基准电压源影响较大 2 3l d 0 的稳定性与补偿 在l d o 应用过程中 为了得到稳定可靠的输出 l d o 的环路必须要被仔细的设计 避免输出产生震荡 在环路中加入几个被精心设计的极点以及零点 使l d o 在环路在 不同的使用条件下都能满足足够的相位裕度 2 3 1l d o 模型 分析l d o 的增益相位图 首先应搭建起l d o 模型 如图2 6 所示 在图2 6 的模 型中误差放大器采用系统建模的方式建立起来 它可以模仿误差放大器的大部分行为 模型由压控电流源 v c c s 压控电压源c v c v s 以及无源器件电阻电容等构成 的关键 大连理工大学硕士学位论文 参数变更起来非常方便 而且具有差分放大器的普遍特性 因此采用这种模型方式建立 起的系统更具有一般性 图2 6 l d o 模型 f i g2 6l d o m o d e l 模型中的调整管为p m o s 晶体管 采用i 弧p i c c 提供的l e v e l4 9 级模型 2 3 2 误差放大器模型 误差放大器模型由o p i n o p r c o p o u t 三部分构成 分别是放大器的第一级增 益及产生主极点 产生次极点 输出极 如图2 7 所示 工n op in o p r c d p u u t 二 正雌 型t 工n 一 雷2 7 误差放大器模型 f i g2 7e r r o ra m p l i f i e rm o d e l 误差放大器各模块电路原理如图2 8 2 9 2 1 0 所示 大连理工大学硕士学位论文 0 ut 图2 8 0 p i n 模块 f i g2 8o p i nm o d u l e c zc c gn0 图2 9 0 p r c 模块 f i g2 9o p i nm o d u l c gno 1 2 一 落 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 0 0 p o u t 模块 f i g 2 1 0o p o u tm o d u l e 2 3 3l d 0 输出级 l d o 输出级包括电压调整管和负载电容 电阻 调整管与负载组成共源级电路 具 有防大增益 u o 输出级增益为 4 g 兄 2 2 3 l d o 输出级原理图如图2 1 1 所示 负载电容是电解电容 它的等效电路是理想电 容与等效串联电阻r e 弧串联 vod 图2 1 1i d o 开环小信号输出级 f i g2 t ll d oo p e n l o o ps m a l ls i g n a lo u t p u t 由输出端l d o o u t 向里看 看到的阻抗是 一氆陪砧 一锱 其中琏 r li r d s 这样l d o 输出级电路包含有一个极点和一个零点 即可赢了 盔塑三奎塑主塑丝苎 7 1 o 巧i 2 2 6 另外l d o 的功率管的寄生电容c g d 也会对高频交流信号产生快通路 导致增加一 个零点 该零点频率极高 远远超出l d o 环路的带宽 故将其忽略掉 r l 1 6 0 g 4 7 u f r i o 的条件下 忽略r n s 的影响 计算电路的零极点得 到以下结果 丽雨面i 硐乩9 9 2 k h z z 荔i 瓦1 孤 3 3 8 6 3 k h z h s p i c e 仿真结果为 2 2 7 2 2 8 3 黧 嘲l l 晷i 鼬lt r 啪f e r h a 僦沁 输出阻抗锄 u m 3 0 9 a l ov i n p 1 d 帅o o u e e t i v ia tv il 5 0 0 0 e 2 5 3 3 0 t a n c e 1 2 0 夕 i n p u tr e e i a tv i 2 c 1 0 j e 圳 3 l l a 蕊p u tr e e i 8 t a n c ea tv i d o c 哪t 1 4 2 5 6 62 8 1 2 8 1 8 8 1 5il t t l t 麟 i c e u 2 0 0 3 2 0 0 3 0 7 1 8 2 3 2 6 0 7 e 2 3 2 0 0 6 p c n t 3 l 芍 l l o 317l projte c818t 嘲 o l e z e r oa a a d s i s t n o m 2 5 0 0 0t e 鲈2 5 啪l t l t x 0t e 瑶届功 旧 8 1 9 l l 8 2 0 8 2 li n p u t 0 v io u t e r 节 1 d o o u t 8 2 2 3 2 3 3 2 4 i n 仉t t 0 7 i 3 2 5 3 嚣l o l e s r a d 8 e c 8 2 7l l l t l l l i t t l l t l l t o 8 嚣 r e a li 螂 鼢 1 4 7 1 7 5 k0 钓0 8 5 6 8 1 5 6 9 0 ln o d e v d d r e a l 0 0 0 0 3 8 2 y a r n i n g ot m d e r f l o 1 t i l 七 3 o e r 口s r a d 8 e c 睇 z 图2 1 2l d o 输出端零极点h s p i c e 仿真结果 f i g2 1 2o u t p u tp o l e z e r oh s p i c e s i m u l a t i o nr e s u l t 1 4 一 m兰耋 啡 野 嫩mm 眷a 蝌 1 mm 卅g 翟叭乱 m 露 麓叱眩 烈 爨粥蛳 大连理工大学硕士学位论文 l l p r o j e c tp e 3 l l t l o a ca n a l y e i e t n c i f2 5 0 0 0t e l d p 2 5 0 0 0 l s a i n d b 1 4 4 0 9 8 4 0 1a t 1 0 0 0 0 e 0 0 f r o f1 0 e 0 0t o 1 0 0 0 0 b 0 8 蹑i 盈荫 产1 4 4 0 9 e 0 1 a t 1 0 0 0 0 e 0 0 f r 锄 1 呦b h 0 0t o 1 0 0 0 0 e o b f 媚轳1 0 0 0 0 e 0 0 m i t f r e 泸1 2 1 5 2 b 0 4 p h a s e 1 0 5 0 9 b 0 2 图2 1 3i d o 输出级低频增益s p i c e 仿真结果 f i g2 1 3o u t p u tl o wf r e q u e n c yg a i nh s p l c e s i m u l a t i o nr e s u l t 2 3 4l d o 的反馈网络 l d o 的反馈网络一般有两只电阻串联组成 电阻阻值一般为几百k o 但实际的设 计中通常在将电阻与一只电容并联 这样做的目的是在单位增益带宽频率外增加一个极 点 使开环增益在此迅速下降 以保证l d o 环路的稳定性 在高频的频率下电容为信 号提供低阻的通路 i 反馈网络结构如图2 1 4 所示 电容c 1 与电阻r 2 并联 电容c 1 通常被称为旁路电 容 b y p a s sc a p a c i t o r a vi 一 图2 1 4 l d o 的反馈网络 f i g2 1 4l d o f e e d b a c kn e t w o r k 该反馈鼹络的传输函数为 蛳蛳雏粥鲫锄 如鳓蹴辩烈 大连理工大学硕士学位论文 铷卜南矗 意 q 2 其中函数的前一项彘是直流增益 在直流条件下电容处于断路 后一项传输函 数的零极点 它改变了输出端电压与输入端电压的角度 他的模为1 反馈网络的零极 点分别为 p t 品 魄l 妞 虹 z 上 也c 1 2 3 0 2 3 1 对于带隙电压为1 2 3 v 要求输出电压为3 3 v 那么可以假设反馈电阻r lr 2 分别 为2 0 0 k 和3 3 6 k 旁路电容为0 1 p f 则零点和极点分别为 p 一 1 二 一 1 2 6 9 5 m h z 2 3 2 2 万 2 0 0 k 1 1 3 3 6 ki 0 1 p z 三 一 4 7 3 7 m h z 2 3 3 2 n x 3 3 6 k x o 功 增益为 g a i n 2 0 1 0 9 一垫婴三 一8 5 6 2 7 d b 2 3 4 口2 0 0 七 3 3 6 七 h s p i c e 仿真结果如图2 1 5 2 2 5 2 6 1 l l l 瞰l l l i s n a l l l i a a at r e m e f e rc h a r a c t e r i e t i c e 输出阻抗 2 5 2 瞰 7二 4 蓊v 吡 v i n 3 7 3 1 3 4 抽 袈j 舞 e e i e t c ea t 咖 餮 k 篓j 器 m i 8 t a n c e 篡 0 1 j t 们 5 3 6 1 2 5 0 3 7 3 0 0 0 1 2 s 7 2 5 8 渤 0 印1l l l 辫 i c b一 2 0 哈 l l l 2 6 2 p r o j e c tr n 2 6 8 l l t l p o l e z e r oa n a l y g i s 猢s g g s g 猫 猫i 耐to v i n 2 8 7 猫 獭 i p u t 0 v i e 2 7 0 2 7 l 2 7 2 勰 缃 2 7 5 2 7 6 2 7 7 暂8 2 0 0 3 0 7 l b 0 0 2 4 0 00 3 0 3 2 0 0 6p o u t t n 棚户2 5 c 0 0t 臼轳2 5 0 0 0 o u t p u t v o u t o 吼纠 t v o u t n o d e i n r e a l 8 笺6 7 e 1 7i m a g i n a r y 0 0 0 0 4 髓r n i n g l u a d e r f o vlt i 拦 售 i np o t e z e r o 眦l y s i s p o l e s r a d s e c p o l e 8 h e r t z l l l t i t t t t t t t l t l i i l i l i t l l t t t t l t l l l l i l t r e a il 螂i e e l 1 l t b g 一7 9 7 6 1 缸0 一1 2 撇0 z e r 0 8 r e d 8 e c 2 r b e r t 动 2 7 9 r e a l 2 劬啪 粥1 钮 赞l r e a li m g 4 7 3 嘲z 0 极点 零点 图2 1 5i d o 反馈网络零 极点的h s p i c e 仿真结果 f i g2 1 5l d o f e e d b a c kn e t w o r kp o l e 鸳e h s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t z 褥 2 8 6 t l 缀 p r o j e c t n 啪l 灿 t 2 5 0 0 0t 2 5 0 0 0 帮n 组 吨f 怒箩 编1 o 罂 啪 豢髓 铲 8 潲 盏 1 0 0 2 要鼍 o o b 蝴 图2 1 6l d o 反馈网络增益的h s p i c e 仿真结果 f i g2 1 6l d o f e e d b a c kn e t w o r kp o l e z e r oh s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t 2 3 5l 0 0 开环环路特性 1 l d o 环路增益 研究l d o 的闭环系统 首先将闭环系统打开 然后分析开环系统的增益及相位裕 度 将图2 6 的l d o 闭环系统输出端与反馈端断开 在断开处加入测试激励信号 观 察系统开环的增益 l o o pg a i n 2 趸相位裕度 p h a s em a r g i n l d o 的开环结构如图2 1 7 在l d o 的输出端与反馈网络断开 并在反馈网络输入交流信号 观察l d o 开环的增益 及相位特性 一1 7 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 7 l d o 环路 f i g2 1 7l d ol o o p 在l d o 开环的单位增益带宽 u n i tg a i nb a n d w i d t h 内 包含两个低频的极点何一个 零点 在l d o 开环单位增益带宽之外包含由反馈网络带来的另一个极点 两个极点将 引起输出电压相位1 8 0 变化 因此在必须增加一个零点来抵消两个极点带来的影响 此 外在l d o 环路中还有一些由晶体管寄生电容引入的高频零 极点 这些高频零 极点 频率远远高于l d o 开环单位增益频率 因此高频的零 极点将不会对l d o 环路特性造 成影响 l d o 开环环路增益示意图如图2 1 8 所示 2 l d o 小信号模型 一 巳 f r e q u e n a 图2 1 8l d o 开环环路增益示意图 f i g 2 1 8o p c n q o o pg a i n 大连理工大学硕士学位论文 将图2 1 7 进行交流小信号分析 化简后的结果如图2 1 9 所示 根据简化后的小信号 模型可以列出电路的支路方程 对方程合并化简后即可以计算出i d o 开环系统的传输 函数 v l 吩相巧 一 乳 惫 s e 以 s c o o v 一 吲 h 吁v 琏o 站v o 丢 式中砭 置 2 3 6 2 3 7 v o 大连理工大学硕士学位论文 丘 j 一 ks 3 q j o 也 c a c 岛 砖 g e s c 岛 g 琏 s 巴8 1 s 2 f q 站 月 q 站 砭 兄 砭凡 巳 s q k 砖 c 岛砭 凡 巳 卜1 一 s i 矗 g s c 岛也r j c 8 1 2 3 8 电容很小 忽略分母中的负系数项 简化成 丘 兰 盎址 壹址 盎 驷 巧 丧 去 去 s 电压调整晶体管的寄生电容与负载电容相比 完全可以忽略 因此得到的结果与之 前分块讨论的结果完全一样 和w z 是电压调整晶体管的寄生电容带来的极 零点 由于c g d 很小 因此w 口 和w z 是处在较高的频率点上 远远的超出了l d o 开环单位增 益带宽 具体计算过程可参考i m 大连理工大学硕士学位论文 第三章子模块的设计及仿真 按芯片内部电路的功能 我们将其划分为与绝对温度成正比与温度无关的基准电流 源 基准源模块 v o l t a g er e f e r e n c e 过温保护电路 o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n 欠压压保护电路 u n d e rv o r a g el o c k o u t 振荡器电路 o s c i l l a t o r 电荷泵升压电 路 c h a r g ep u m p 误差放大器 e r r o ra m p l i f i e r 7 个模块来叙述各个模块的工作原 理和功能 3 1 与绝对温度成正比 与温度无关的基准电流源 3 1 1 电路图及工作原理 各部分模块都需要偏置电流 因诧产生与绝对温度成正比 p t a t p l o p o r t i o n a lt o a b s o l u t et e m p e r a t u r e 与温度无关 t e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n tc u r r e n t 的基准电流源显得十 分重要 其中e n c m 是电流源的控制端 当e n c m 变为低电平时 电流源开始工作 i r e f l 是与据对温度成正比的电流源镜像的栅极 i r e f 2 是与温度无关的基准电流源