【《线性稳压器LDO设计案例》3100字】

第iv页共31页线性稳压器LDO设计案例1.1LDO的误差放大器电路误差放大器是线性稳压器很重要的一个模块。其输入端口有两个输入，分别接入反馈电压与基准电压，由于二者的电压数值不等，所以误差放大器对于二者信号进行放大，输出的电压控制晶体管的栅极。1.1.1误差放大器的性能指标误差放大器不仅在控制着输出电压大小方面有着重要作用。同时，误差放大器的性能指标也决定了整个电路的性能。下面主要讨论误差放大器的性能即增益、带宽、相位裕度等指标。（a）增益误差放大器的增益影响反馈系统的精确度，如果误差放大器的增益比较大，那么经过放大之后，误差也会被放大，线性稳压器的精度将会大幅度下降，稳压的效果也将下降。因此，在设计上对于误差放大器的增益不能设计的过大，同时如果考虑到电压摆幅和速度参数，如果线性稳压器的开环增益比较大时，也会严重的降低线性稳压器的动态特性。（b）带宽对于一个理想状态下的误差放大器，由于增益不受频率的影响，所以对于理想状态下的误差放大器，其带宽也是无限大的。但在实际情况中，由于器件之间的影响，所以当频率变大时会导致误差放大器的增益减小。从而带宽放映了误差放大器的工作频率范围。一般认为在输入信号保持不变的条件下，改变信号的频率，使得信号的输出值下降到原值的0.707倍，此时的频率称为截止频率。而两个截止频率之间的频率宽度就是误差放大器可以正常工作的一个频率范围。（c）相位裕度相位裕度是判断系统是否处于稳定状态的一个量度，是系统进入不稳定状态之前最多可以增加或减小的相位大小变化。如果相位裕度很大，那么系统也比较稳定。但实际上为了获得比较快速的系统响应，减小建立时间我们不能把相位裕度一味地提高，所以必须要折中考虑。所以为了兼具稳定性和系统比较快的反应速度，相位裕度一般设计为60。。同时，当系统的相位裕度达到60。时，系统的振荡可以忽略不计。1.1.2误差放大器的选择常用的误差放大器主要有简单跨导放大器、折叠式共源共栅放大器、两级运放放大器结构、套筒式共源共栅放大器[13]。本设计主要是考虑低功耗，所以采用简单跨导误差放大器比较合适。（a）简单跨导放大器如图1.1所示就是简单跨导放大器的结构。图1.1简单跨导放大器结构图从图中我们可以看出两个输入信号分别加在M1和M2上，管子M3和M4组成了电流镜负载。这类放大器的结构简单，可以设计各个MOS管的宽长比和偏置电流，但当输入共模信号时，输出电压的下限受到了限制，同时简单跨导放大器的等效输出电阻比较大。（b）折叠式共源共栅如图1.2就是折叠式共源共栅电路。输入信号分别加在晶体管M1和M2上，将输入的电压转化为电流从M5和M6输出。对于折叠式的放大器，它的增益与简单跨导类型的放大器相比是远高于它的，可用于驱动大负载。但它的输出电阻很大且输出的摆幅也比简单跨导放大器大。图1.2折叠式共源共栅电路（c）两级放大器为了提高整个输出的增益常常采用两级放大的方法，在电路的第一级采用单级跨导的方式从而获得很高的增益，，在第二级采用共源放大器不仅能够提高电路的增益同时也能保证输出摆幅的稳定。如图1.3为两级放大器的结构图。图1.3两级放大器结构（d）套筒式共源共栅放大器套筒式共源共栅放大器具有增益高的特点，采用NMOS和PMOS并联使输入的共模达到对轨同时减小静态电流。但套筒式共源共栅放大器的噪声很大。图1.4是套筒式共源共栅放大器的结构图。图1.4套筒式共源共栅放大器结构通过对以上四种结构的放大器的分析，可以得出四种结构的性能对比表，如表4.1所示：表1.1四种放大器性能比较增益输出摆幅速度功耗噪声套筒式共源共栅中中高低低折叠式共源共栅中中高中中两级运放高高低中低增益提高运放（简单跨导）高中中高中本设计综合考量后采用简单跨导放大器作为误差放大器，下图是对于简单跨导放大器进行的仿真。误差放大器的直流增益60.46dB图1.5误差放大器的增益图误差放大器的相位裕度为68.87。图1.6误差放大器的相位裕度图1.2LDO的基准电路基准电路是为整个电路提供基准电压，也是整个电路的核心模块，需要很高的精准度。基准电路主要分为带隙基准电路和齐纳基准电路，但由于齐纳基准源的精度不够高，而且噪声比较大，所以本设计采用基准带隙电路。分为启动电路、放大电路和核心电路，图1.7是带隙电路的结构图。图1.7带隙基准电路图对于上图中的带隙基准电路，mos管M0、M1和M2构成了电流镜使流过这三个mos管的电流成比例。在大多数电路中，处于自偏置状态的电路有两种稳定的状态，分别为正常的工作状态和零电流的工作状态。本设计中增加了启动电路目的就是避免电路出现零电流状态，从而保持正常的工作。同时在启动电路中增加了一个使能信号，目的是通过使能信号从而控制整个电路的开启或者关断。当使能信号为1时，由于使能信号加在pmos的栅极上，所以电路关断。当使能信号为0使，整个电路启动，通过电路中的M9、M10和M2这些不同比例的电流镜从而输出不同大小的电流，将启动电路的电路供给运放电路，使整个系统正常工作。当电路启动后带隙基准电压约为1.25V，所以M15导通，M13和M14的栅极电压降低，进而关断这两个晶体管，启动电路从而关断。由于带隙基准电路对电路的增益不要求很大同时带宽要求也不高，采用两级运放的结构，第一级采用差分输入放大器，第二级采用单极共源放大器。1.3LDO的功率调整管1.1.1功率调整管的选择与分类在线性稳压器中功率调整管是非常重要的环节，通过控制电流从而改变反馈的电压值，从而保证输出电压一直保持稳定。目前，常用的几种功率调整管，分别为达林顿管、NMOS管、PMOS管、NPN管和PNP管[15]。图1.8五种常见的功率调整管早期的线性稳压器[16]是利用双极器件即双极型晶体管做成的，如NPN或者PNP管，但由于其受温度影响比较大而且静态电流比较大故现在大部分采用mos管作为功率调整管。但是双极器件的电流驱动能力更高可以驱动更高的负载电流，mos管的静态电流比较小所以可以降低电路的功耗，从而使得电路的效率更高，以满足电路的低功耗需求。对于NPN和PNP两种管子作为功率调整管，NPN管的压差大一些，响应速度快，输出电阻小，驱动能力强而对于PNP管，它的压差比较小，但静态电流大而且响应的速度比较慢。对于PMOS和NMOS来说，采用电压控制可以完全关断，使得功耗很低，转换效率也提高。但是由于二者的制造工艺的不同，从而使得PMOS的压差小于NMOS的压差。但是PMOS的输出阻抗会更大，NMOS的环路稳定性更好[17]。但由于本设计需要低压差所以采用PMOS作为电路的功率调整管。表1.2是不同类型的功率调整管的性能对比。表1.2不同类型的功率调整管的性能对比调整管达林顿管NPNPNPNMOSPMOS压差Vec_sat+2VbeVec_sat+VbeVec_satVsd_sat+VgsVds_sat静态电流中中大小小输出电流高高高中中驱动能力强强强弱弱控制方式电流电流电流电压电压1.4LDO的总体仿真在根据前文所述的设计方案和设计方案中具体电路的设计，我们对电路的整体进行搭建，然后进行仿真包括带隙基准电路[18]、误差放大器、功率调整管[19]等。当对电路加上1.7V-5V的电压时，恒定输出的电压为2V左右，同时根据仿真后得到的数据做出电路的静态电流曲线[20]。发现电路的静态电流小于250mA.,达到设计要求。图1.8是对电路仿真前的电学检查，发现没有错误，图中的警告是由于整个电路过于庞大，在搭建电路时是用线名命名相应的端口连接，而不是直接进行相连，故会有警告出现，但不会影响后续仿真。图1.9仿真前的电学检查在电学仿真完成后，我们对所得的电路系统加上电压信号。从1.7-5.0V通过不断输入信号的改变，测试输出信号的大小，发现输出信号稳定稳定在2V左右。如图1.9所示，通过不断的改变输入信号的大小，看输出的信号的大小。图1.10是