1、复旦大学硕士学位论文LDO低压差一性稳压器设计姓名：腾显慧申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：易婷20090322摘要本文提出了一种基于SMIC(中芯国际)018urn Logic CMOS工艺设计和仿真的低静态电流低压差线性稳压器(LDO)电路结构。通过设计一种改进型电流源电路为其提供偏置电流，及优化电阻反馈网络，有效降低了LDO的静态电流。仿真结果表明，该LDO的待机状态的静态电流最大值为2739uA，工作状态静态电流最大值为3833uA。线性调整率和负载调整率的典型值分别小于022mVmA和16(16mV)，线性调整率在采用理想基准电压(本文为122v)时，其典型值小于004
2、(04mV)。输出的最大负载电流为150mA，压差在150mA输出负载电流下为250mV。关键词：低压差线性稳压器、低功耗、静态电流中图分类号：047半导体物理学AbstractA low quiescent current LDO is presented in this thesis，which is designed andsimulated based on SMIC 01 8um Logic CMOS processBy using an improvedcurrent reference，and optimizing the resistor feedback network，th
3、e quiescentcurrent is effectively reducedThe simulation results show that the maximumquiescent current is 2739uA and 3833uA when circuit is in standby mode and innormal work mode respectivelyThe line regulation and load regulation is less than022mVV and 16respectively in typical conditionThe maximum
4、 load current is1 50mA，and the dropout voltage is 250mV when output current is l 50mAIndex terms：LDO、low-power、quiescent current中图分类号：047半导体物理学2第一章引言第一节研究背景和意义随着便携式电子设备如手机、笔记本电脑需求的增加，对于低输出电压，低输入输出电压差(Low Drop-out Voltage)的稳压器的需求也在增加。供电系统，经常加入线性稳压器来抑制噪声以提供低噪声的输出。随着便携式器件体积的减小以及功耗的降低，其工作电压也在不断降低，因此其对低电
5、压的要求是必然的。便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电，还是由蓄电池组供电，工作过程中，电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为42V，放完电后的电压为23V，变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响，还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净一无纹波、无噪声，以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求，应在电源的输入端加入线性稳压器，以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。而LDO(低压差线性稳压器)由于具有结构简单、成本低廉、低噪声、低功耗及较小
6、的封装尺寸等突出优点，在便携式电子产品中得到广泛的应用。目前，各大公司竞相推出各类稳压器产品，例如，凌力尔特公司(LinearTechnology Corporation)最近推出微功率LDO LT3009，该器件具有仅为3uA的超低静态电流。LT3009还具有仅为280m、，的低压差，提供高达20mA的输出电流，并具有16V至20V的宽VIN范围和06V至195V的可调输出。在整个电压、负载和温度范围内，输出容限严格调节在2之内。龙鼎微电子也发布了低至09V输出电压的LDO，可以看出市场竞争日益激烈，对它的研究与开发有非常高的市场价值。近来，业界对于LDO功耗、输出电流和稳定性方面有大量的研
7、究。本文从LDO的结构着手，在功耗方面做了改进，同时保证了其稳定性。第二节本文的内容安排本文共分为七章。此为第一章，引言部分。第二章简要介绍LDO的基本结构及组成部分、工作原理、LDO的术语及含义等。第三章详细介绍LDO稳压器设计的重点难点及电路各个组成部分的特性。第四章、第五章为本文的主要内容。第四章介绍本文提出的电路结构及其特点。第五章对仿真结果进行分析总结。第六章介绍LDO版图及版图设计时需要注意的事项，第七章对全文进行总结。第二章低压差线性稳压器简介线性稳压器通过其反馈回路对输出电压进行调节从而提供稳定的直流输出电压，在工作状态时，其输出电压与负载、输入电压变化量、温度和时间无关。低压
8、差线性稳压器(LD0，Low DropOut Voltage Regulator)在其输入输出电压差很小的情况下，直流输出电压仍能维持一个稳定的值n1。低压差线性稳压器具有成本低，噪音低，静态电流小，需要的外接元件也很少(通常只需要一两个旁路电容)等优点。第一节低压差线性稳压器的基本结构及组成部分图21是LDO线性稳压器的基本结构框图，由以下几部分组成：基准电压源、误差放大器、调整管和反馈电阻(Rl、RE)【1】。另外还有电流偏置电路及一些负载器件，Co为输出电容、REsR为其等效串联电阻、Cb为旁路电容。误差放大器、调整管和反馈电阻网络形成调整环路(Regulation Loop)。以n u
9、l图21 LDO线性稳压器的基本结构框图误差放大器的输入参考电压V由基准电压源提供，基准电压源通常使用齐纳二极管(Zener Diode)或带隙基准电压源(Bandgap)。齐纳二极管一般用在电压大于7V的高压电路中，对温度的要求比较低，带隙基准电压源通常用在低压、高精度的电路中。误差放大器的偏置电流由电流偏置电路提供。实际应用的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等。第二节LDO线性稳压器的工作原理图22为一个基本的LDO输出电压与输入电压的关系示意图，从图中可以看到，当输入电压小于33V时，LDO工作在关断区，输出电压为零；当输4入电压在33V
10、365V时，LDO工作在压降区，此时输出电压几乎随输入电压变化；当输入电压大于365V时，LDO工作在调整区，此时输出33V稳定的直流电压。色蜃幽御亏|绵l 雎阡匹。 关断区 调整区输入电压璩P4图22 LDO线性稳压器输出电压与输入电压曲线图图21所示的LDO线性稳压器的基本工作原理如下：系统加电，电路开始启动，电流偏置电路给整个电路提供偏置电流，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈。当负载电流减小时，输出电压升高，
11、误差电压(一V化f)增加，误差放大器输出电压升高，从而调整管漏端的电压降低，因此输出电压(Vo吐)会被稳定在之前的值。Vo。可以表示为： R=Vref(1+云)(2-1)同上，当输出电压降低时，误差电压(VfbV陀f)降低，误差放大器输出电压降低，从而调整管漏端电压升高，因此输出电压(V。m)会被维持在稳定的值。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受误差放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。第三节LD0线性稳压器的指标及参数LDO线性稳压器的主要指标及参数有：压差(Dropout Voltage)、静态电流(Quiescent Current)、转换效率(r1)、瞬态响应(Transi
12、ent Response)、线性调整率(Line Regulation)、负载调整率(Load Regulation)、电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio)等。1压差(vdmpout)压差被定义为当输入电压下降到一定程度输出电压将不再维持在一个恒定的电压时输入电压与输出电压之间的差，该点发生在输入电压不断接近输出电压时。压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，压差越低，线性稳压器的性能就越好。压差的典型值为200400mVl31。产生压差的主要原因是，在稳压器电路组成中有一个调整管(如图21所示，为PMOS管)。当稳压器工作时调整管导通
13、等效为一个电阻，其导通电阻为。，压差可以表示为： k=K一=I。R。(22)其中Io是输出电流，有的也叫负载电流。图22所示的LDO，输出电压从输入电压是365V的时候就开始下降，根据压差的定义可得其压差为350mV。2静态电流(Iq)静态电流，也被叫做接地电流(Ground Pin Current)，定义为输出电流与输入电流的差。在图21中调整管输出电流为零时，静态电流等于输入电源提供的稳压器工作电流。如图23所示，静态电流可以表示为：Iq=IiI。 (23)Vdrooo慵一Vl图23 LDO稳压器静态电流示意图静态电流由电路的偏置电流和驱动调整管基极(或栅极)的电流组成，主要指对输出没有直
14、接贡献的电流，它的大小主要由调整管、LDO稳压器的结构和环境温度决定。其中偏置电流，指的是参考电压源消耗的电流，采样电阻消耗的电流，误差放大器消耗的电流等。对于双极型晶体管作为调整管的稳压器，因为双极型晶体管是电流驱动器件，天生就存在有比较大的静态电流，也就是基极电流，且基极电流是正比于输出电流，因此它的静态电流会随输出电流增加而成比例的增加。对于MOS管作为调整管的稳压器，静态电流几乎不随负载的变化而变化，几乎是一个恒定值，因为MOS管是电压驱动器件。对采用MOS管作为调整管的LDO来说，对静态电流有贡献的只有参考电压源消耗电流，采样电阻消耗电流和误差放大器消耗电流。在应用中如果对功耗的要求
15、比较苛刻或者是在偏置电流比较小的情况下，最好是采用MOS管作为调整管。静态电流的典型值是40uA100uA。 。63转换效率(11)LDO的电源转换效率为：”：!兰塾100。(I。+Iq x Vin(2-4)其中Io是输出电流，vom为输出电压，Ia为静态工作电流，Vin为输入电压【31。例如，对于输出电压为33V的LDO，输入电压范围36Vq5V，输出电流范围是80mA-1 00mA，最大的静态电流是1 7uA，则其转换效率为：”：土坠堕型100：733”=一 =，wn。(100mA+17uA)x 45V在便携式电子产品中，丰富的功能对功耗的要求与电池的使用时间之间的矛盾越来越突出，这就要求
16、电源具有极高的转换效率。为了尽可能提高转换效率，必须降低输入输出压差Vdmpout和静态电流I。的值【3】o对于LDO线性稳压器而言，转换效率决定了电池使用寿命下降的速度，总的电流量决定了电池的使用寿命。在LDO正常工作的情况，负载电流远大于静态电流时，电池的使用寿命由负载电流决定，当负载电流比较小时，静态电流对电池使用寿命的影响比较大，此时的转换效率比较低。对于实际应用，大负载电流的场合比较少，小的负载电流的情况比较多。由此可以看出转换效率在电路设计中也是比较关键的参数。4瞬态响应(vtLm，)瞬态响应被定义为，在输出电流阶跃变化的条件下，输出电压的最大允许变化量。瞬态响应通常与输出电容(C
17、o)、输出电容的串联等效电阻(ESR)、旁路电容(CO和最大允许的负载电流大小有关。输出电压的最大瞬态变化量可以定义为： V仃omag-觜+眺Rc2吲其中V仃m戤为输出电压变化量，Io)max为额定负载电流，Co为输出电容，Cb为旁路电容，VESR是输出电容的串联等效电阻ESR所导致的输出电压变化量的大小，实际应用中一般会定义输出电容C。的串联等效电阻ESR的范围，At是LDO稳压器所需要的反应时间。t在不考虑电路内部压摆率(intemalslewrate)的条件下，大约等于闭环带宽(Closedloop Bandwidth)的倒数。例如，图24为一个12V，lOOmA LDO稳压器的瞬态响应
18、示意图。图中，LDO稳压器的输出电容Co为47uF，在输出端负载电流的阶跃变化量接近90mA时，输出电压下降的最大值(也即瞬态响应的值)为120mV。LDO控制环路的响应时间为lus，最后输出电压在17us内又回到稳定状态。7一i，。 釜删美攀图24 12V，1 00mA LDO稳压器瞬态响应示意图【10】在实际应用中，瞬态响应的值越小越好。在LDO稳压器设计时，反馈环路中采用较高带宽的误差放大器，输出负载电容和旁路电容采用比较大的值，以及负载电容的等效串联电阻ESR采用比较小的值对于瞬态响应都比较有好处。另外在实际应用中还需要指明，输出负载电容及其等效串联电阻应该在什么范围内取值才能够使LD
19、O稳定工作。5线性调整率线性调整率是反映当输入电压变化时，输出电压受其影响的一个量。线性调整率被定义为： M，“鹏耻gulation=苛 (2吲例如，图25为某LDO稳压器输出电压随输入电压变化的示意图，图中虚线表示当输入电压变化时，输出电压变化的范围12】o1翻舶llv 1881盯0幽翟丑鳞辑人电压vl嗍图25 LDO输入输出电压变化示意图6负载调整率负载调整率是衡量LDO稳压器在输出负载电流变化的情况下，输出电压维持恒定的一种能力，等于LDO的输出电阻。负载调整率被定义为【ll： LoadRegulation：R：坐：蔓。I。 l+A。13(2-7)式中，vo是输出电压的变化量，I。是输出
20、负载电流的变化量，艮嘲。是调整管的输出电阻，Ao是系统的开环增益，B是反馈系数。输出电压变化量最大的情况是发生在负载电流由零变化到其允许的最大值或者由其最大值降到零时。同线性调整率类似，负载调整率也是衡量LDO稳定性的一个参数。提高系统的开环增益，有助于降低负载调整率。7电源抑制比(PSRR)电源抑制比，也叫行波抑制比(Ripple Rejection)，是衡量在输入电压变化时，LDO抑制其输出电压变化的一种能力。其定义与线性调整率类似，唯一不同的是，电源抑制比需要考虑很宽的频率范围。电源抑制比定义为： PsRR=涟(在所有频点)(2_8)控制环路往往是决定电源抑制比的重要因素，低的等效串联电
21、阻ESR，大的输出电容，大的附加旁路电容能够改善电源抑制比。第四节本章小结本章简单介绍了LDO低压差线性稳压器的基本电路结构及组成部分；LDO的基本工作原理；以及低压差线性稳压器的一些指标及参数。9第三章LI)O低压差线性稳压器设计在LDO设计时，降低负载调整率，保持其稳定性，减小瞬态响应时输出电压的变化量往往是设计的难点，而这些指标之间又互相冲突，更增加了设计的难度。这就要看LDO应用的场合和环境，进而对这些指标进行权衡，为了使某项指标更好，而可能会牺牲一点其他的某项指标。这一章将对此作出分析，另外还会介绍每个模块设计时要考虑的问题。第一节交流分析1频率响应如图31所示经典LDO电路结构，决
22、定系统稳定性的因素有：误差放大器、调整管、反馈电阻、输出电流及输出阻抗、输出电容及其等效串联电阻，还有旁路电容。因为旁路电容通常都是高频电容，所以其ESR可以被忽略，或者说他们的ESR值很低。gmp为调整管的跨导，lopaS。为调整管的输出阻抗，Cpar是调整管的栅电容。R2的取值通常取决于期望的输出电压的取值，例如，如果期望输出电压vo。等于V陀f则R2取零。对Rl取值，则通常会考虑流过取样电阻R】和R2的静态电流，Rl=V。矾I，Rl通常会取得大一点，以减小静态电流。图31带负载的LDO结构框图【11为了方便分析，把反馈环路在A点断开，显然，电路在单位增益频率内要保持稳定，V他f和Vfb分
23、别为输入和输出电压，则环路的开环增益可以表示为：I A，I： 7 g。R。g。pZl+sR。Cpar Rl+R2 (31)其中，gm。和gmp分别为放大器和调整管的跨导，R是放大器的输出阻抗，lOCpar是调整管栅端的寄生电容，Z是输出端看到的阻抗。在忽略负载电阻IU(因为通常RL的值比较大)的情况下，Z可以写成：z：R、，SCoRe”+1H上一sCo sCb： 垦苎!鱼垦笪12 (32)sC。CbRxR。+sC。(Rx+R。)+sCbRx+l其中，Rx是从输出端向稳压器方向看到的阻抗，Rx=R。畔(Rl+R2)(3-3)如果C。远大于Cb(实际应用中，通常也满足此条件)，则Z可以表示为：z：
24、 垦苎!竺e坠!要12【l+s C。(Rx+R。)x1+sCb(RxR。)】(3-4)从式子(3-1)(34)可以看出，系统的传输函数中包含有三个极点和一个零点，是一个潜在的不稳定系统。对于大部分负载电流范围，R。被简化成心pass，因为RI+R2的值比较大，特别是在大负载电流时。这些极点和零点分别为：TP,-丽录= (35)1 2一2nCbRc， (316) Lj JP3 2丽女 (3_7)厶l 22nCoR。 (38)冒40旦Cg 20k已 U 螂弓图32带负载情况的LDO频率响应图图32为典型的带负载情况的LDO频率响应图，图中假设CoCb。2设计中的难点1)当负载电流增加时，输出电阻R
25、x(oc 1X 10或V儿入是MOS器件的沟道长度调制系数，V。是双极型晶体管的Early电压)会减小，主极点频率P，会增加，而gm木R争皤。对于MOS器件随着电流的增加而呈平方根减少，因此主极点频率增加的速度比系统增益减小的速度快，系统的单位增益带宽会增加；另一方面，当设计指标中负载电流较大时，为了满足对大负载电流的驱动能力，电路设计时调整管的尺寸就需要取得较大，这样C阿也会随着增大，寄生极点频率PB会减小。单位增益带宽增加同时寄生极点频率P3减小，因此极点P3就有可能在单位增益带宽以内，通过前面的分析我们知道，这时单位增益带宽内有三个极点，是一个潜在的不稳定系统。为了使系统稳定，寄生极点需
26、要分布在较高的频率点，最好大于单位增益频率(UGF)。在工作电流较低时，要保证P3在较高频率点是很难实现的，P3的大小是由调整管的栅极电容C叫(其值一般比较大)和放大器的输出电阻决定的，R一般是由放大器的组成结构和其输出级的偏置电流决定的。2)当输入电压变低时，同样，为了满足对大负载电流的驱动能力，调整管的尺寸也需要增大，C叫也会随着增大，由式(37)可知，寄生极点频率P3会减小，同样会影响系统的稳定性。因此在低输入电压时，既要保持其对于大负载电流的驱动能力，又要保持电路的稳定性，也是设计时的难点。第二节瞬态分析1瞬态响应的过程当负载电流全摆幅变化时，输出电压的最大允许变化量是LDO设计时一个
27、重要的指标，实际应用中会决定这个值需要有多小。例如，如果LDO被用于为有很高噪声容限的数字电路供电，对这个指标的要求就可以宽松一点。但是在大部分模拟电路的应用中，对这个指标的要求较高。“nmo圈图33典型LDO输出电压对负载电流的瞬态响应图(I】12图33为典型LDO输出电压对负载电流的瞬态响应图。下面对图33中出现的变量(t，V2，At2，At3，AV3，“，v4)进行解释。1)At为最差的瞬态响应时间，对应于输出电压允许的最大变化量，由式(25)可以得到最差的响应时间的表达式： t=(叱一。一R)1Load-m“ (39)。其中，VEsR是由于输出电容的等效串联电阻ESR所导致的电压变化量
28、(AVmRocREsR)。旁路电容通常是高频电容因此其ESR值很小。一般的应用中At不仅是带宽的函数，也是调整管栅端电压转换速率(SlewRate，受C蝴影响)的函数。t又可以表示为11J：t上+t。：上-I-Cp“AV B Wcl。Bwj I。(3-10)其中，BWc，是系统的闭环带宽，t；，是调整管栅端的电压转换时间(Slew-Ratetime)，V是电容C，两端的电压变化量，I。，是调整管栅端的转换电流。例如，如果B阢。是500kHz，C嘟是200pF，AV是05V，I。是5uA，Co是10uF，RBR是0Q还有IL0吐m敬是100mA，那么由式(25)和式(310)可以得到最大的输出电
29、压的变化量是220mV。如果I。，足够大，则t约等于闭环带宽的倒数，当然这是以牺牲静态电流，或者说是电池寿命为代价的。当调整管栅端状态转换完毕，LD0的输出电压就会恢复并稳定到接近其初始值。2)V2可以表示为：v2=R。I吼一 (3一11)其中，Ro是稳压器的输出阻抗。3)At2：稳定时间At2是由调整管所需的为负载电容充电的时间及系统开环频率响应的相位裕度决定的。4)At3与V3：在不考虑内部的电压转换时间时，At3是由带宽和输出端的下拉电流决定的。在不考虑内部的转换条件时Il】：v3=等C导似矗 。3吨，。+Cb”“ c。BWcl 。“(气一1，)5)t4与v4： 经过t3的变化后， 输出
30、电压会暂时稳定在变化量为AV4的位置(V4V3一VESR)。然后输出电压又开始放电，经过t4的时间又重新稳定在其初始值上。 At4掣盟学(3-13)2设计中的难点如前所述，输出电压的最大允许变化量是由系统带宽以及电路的转换速率决定的。但是带宽和转换速率与静态电流又有很大的关系，一般来说，带宽是越大越好，但是要得到大的带宽就要求寄生极点的频率增加，寄生极点的频率增加又是由电流增加，电阻减小得到的。由此看来要提高响应时间就需要增大静态电流，另外，要提高转换速率也需要增大电流。因此减小静态电流是受输出电压的最大允许变化量限制的，这两个指标会互相冲突，设计时要同时考虑，必要时需进行权衡。第三节调整管的
31、设计在低压低电流的LDO设计时性能与稳定性的冲突就会更加明显【41。首先要考虑的一方面就是调整管的影响，调整管必须要能提供很大的电流，并且它两端的压降要小。它两端的压降是由其导通电阻决定的(Vdrop-om=I捌木Ro。)，导通电阻与其尺寸成反比。因此，特别是在低压设计时调整管的尺寸就需要取得比较大，还有在输入电压变低时要保证其同样的驱动能力也需要调整管尺寸比较大，这样就会使误差放大器的负载电容增大，进而使寄生极点P3移向低频，使系统的相位裕度降低，影响系统的稳定性。寄生电容的增大还会使静态电流增大，转换速率降低。总之，在低压低静态电流的设计中，为了保持电路的电流驱动能力调整管的宽长比必须比较
32、大，但是其宽长比的增大又受稳定性和转换速率的限制。在CMOS工艺中，通常使用PMOS或NMOS作为调整管。使用NMOS管作为调整管时，它是一个源极跟随器，其可以达到的压差最低为一个V麟的电压，较PMOS管所能达到的压差大。通过使用电荷泵可以使NMOS调整管的栅端电压大于输入电压，从而达到较低的压差，但其缺点是电路会变得比较复杂，增加成本，并且通常还需要加一个振荡器，静态电流也会比较大，还会引入噪声。在不使用电荷泵的情况下，PMOS管可以达到的压差最低，因此从压差、静态电流方面考虑PMOS管是较好的选择。第四节放大器的设计放大器是LDO中最重要的模块，LDO中用到的放大器需要考虑的指标有：输出阻
33、抗、增益、带宽、输出的转换电流(output slewrate current)、输出电压摆幅和静态电流。由前面式(37)知道，输出阻抗必须足够低以使极点P3的频率大于UGF，保持系统的稳定性。调整管栅极的大电容C唧也会使P3向低频方向移动，因此需要加入一个缓冲级来隔离放大器的高输出阻抗和Cpar，如图34所示。14图34带缓冲级的放大器结构示意图【l】缓冲级的结构和偏置电流是根据系统的频率和瞬态响应的要求而设计的，一般会优先考虑瞬态响应的指标。如前面瞬态响应时讨论的，缓冲级输出的转换电流大小会影响负载电流变化时输出电压的变化量。缓冲级的结构选取也会考虑到调整管的驱动要求。例如，PMOS管作为
34、调整管时就需要放大器输出的负方向的电压摆幅足够大以满足调整管栅极的驱动要求，进而可以达到大的输出电流和低的电压差。一种简单的结构可以使用一个源极跟随的本征NMOS管(阈值电压接近于零)作为缓冲级，设计时要考虑缓冲级的输入电容Cbuf和增益级的输出电阻Ro。的乘积要足够小以保证其引入的极点的频率大于UGF。另外缓冲级的输出阻抗也要小。放大器的设计在满足设计指标的要求下要尽量简单以减少静态电流。静态电流的限制因素主要是对放大器带宽和转换速率的要求。因此电路设计时需要在其性能和功耗之问进行权衡。在低压设计时，连接输入和地之间的器件要尽量少。较常见的放大器有折叠共源共栅结构、套筒共源共栅结构及电流镜型
35、放大器等，简单来讲，套筒结构的缺点是低输入共模信号范围、低输出摆幅，而折叠结构输出动态范围与输入共模电压无关，虽然弥补了套筒结构的缺点，但其需要两路偏置电流，因此其功耗会比较大。本文对各项指标进行综合考虑，采用了一种经常用于驱动容性负载的电流镜型差分放大器。电流镜型放大器对称性较好，也有较大的输出摆幅、较好的共模抑制比，还有其功耗也会比折叠结构小。第六节本章小结本章对LDO的频率响应、瞬态响应、调整管的设计、放大器的设计进行了分析，主要介绍了在LDO设计时对不同参数的考量和它们之间的互相权衡，以及设计时的难点。对哪个参数的要求较高要视实际应用的场合而定。第四章低压差线性稳压器设计实例电路设计前
36、面两章介绍了低压差线性稳压器的基本电路结构及其工作原理，以及低压差线性稳压器的性能指标。下面将采用SMIC(中芯国际)018urn Logic CMOS工艺设计一个应用于便携式电子产品的LDO。第一节设计指标与设计概要表41 LDO性能设计指标Parameter Condition Min Typ Max输出电压(VDDl8) 162V 18V 198V压差(Vdropout) Iout=l 50mA 250mV负载电流 待机工作模式 150mA(10ut) 普通工作模式 5mA静态电流 待机工作模式 30uA(1quiescent) 普通工作模式 40uA负载调整率(Load Regulat
37、ion) 0VT，JJl坛exp(VDsT)可以忽略。根据式(47)，及Iout=Iref,我们可以重新推导图42中的Iout表达式。一。时：=K(詈)。，。e；=一。f：(詈)。一。e淠 。48，因此， InK：逸2二墨塾：玉VT VT (49)从而， ， In K乞vT1咖一下(410)由式(410)，我们发现，输出电流是由晶体管宽长比的比值和电阻唯一确定的，也就是说基于传统的基准电流源的工作原理，工作在亚阈值区的MOS管可以用来生成和电源电压无关的基准电流。同时我们发现式(410)中，没有了载流子迁移率对亚阂值电流的影响。只有电阻R0和VT这两个与温度有关的变量。其中，VT电压和温度成正
38、比，所以我们可以考虑用一个与绝对温度成正比的电阻来抵消VT正温度系数的影响。实际工艺中有许多正温度系数的电阻，如n阱电阻，n扩散电阻，p扩散电阻，n+多晶硅电阻，p+多晶硅电阻等。这里从面积和温度系数两方面考虑，选用了阻值较大的n阱电阻，即图44中的Rl，以减少芯片面积。但是n阱电阻的正温度系数远大于所需要的正温度系数，所以设计中又加入了一个负温度系数的高阻值多晶硅电阻，即图44中的RO，来补偿正温度系数。图44中，虚线框中的电路是启动电路。它的作用是为了防止电路进入正常工作状态之外的一个平衡态。即所有支路电流为零时的状态，因为此时也满足Iout=Iref的条件，这个时候D点电压为高，A点的电
39、压为低。加入启动电路之后，这种情况就维持不了，因为电源上电时，M7管打开，A点电位被拉高，D点电压降低，即打破了这种不正常的平衡态，电路将进入正常工作状态。另外，电路进入正常工作状态之后，M8管打开，E点电压升高，M7管将被关断，基准电流源电路开始正常工作。最后补充一点，在第三节第2小节的介绍中，没有考虑沟道长度调制效应的影响。如果考虑沟道长度调制效应，图42中A，B两点的电位显然不相等。为了减小沟道长度调制效应，电路中的晶体管一般均采用相对较长的沟道，所以这里M1M6管都采用了相对较长的4um的沟道长度。第四节带隙基准电压源电路本文的带隙基准电压源电路中增加了自偏置共源共栅器件，因为这种结构
40、能够有效的改善电源抑制【51，如图45所示。图45带隙基准电压源电路其基本原理是先产生一个和绝对温度成正比的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最终获得和温度无关的基准电压。对于一个双极型晶体管，基发射极电流与基极一发射极电压的关系为：鳖I。=Ise叶 (4一I 1)其中Is是双极型晶体管的饱和电流，V产kTq，k为玻尔兹曼常量，q为电子电荷。当T=300K时，vBE的温度系数为16】，c3VBEt3T-I5mV。C。如果两个同样的晶体管偏置的发射极电流分别为N术Io和Io，并忽略它们的基极电流，那么它们基极发射极电压差值为：VBE吨。吨邓-n降)-vT-nIs2
41、邓，州(4_12) L JI 一， ， (4一 )avB矫=kln，因此，VBE的差值就表现出正温度系数。电路中，M1，M2和，M3构成电流镜，并且有，=(讣(罟)，M 限又II=AVBERI，因此M1，M2，jIM3管的源漏电流分别为：1-12：VTix lnN(4-14)13_M半 (蛳)VR酐2 vBE3+13Rz 2 VBE3+M詈vT In N (4一16)因为aVBEaT一15mV，aVTaTO087mV。C，所以当：一15mV。C+M堡lnNx 0087mV。C：0R1即擀(R2RI)*InN172时，VREF的温度系数为零(T=300K)。因此通过对M，R2，Rl和N取适当的值
42、就可以得到一个低温度系数的基准电压，另外由式(4一16)可以看出，此基准电压也与电源电压无关。本文中VREF为122V。第五节模式转换电路的设计图46模式转换电路在系统电流消耗不大时，可以将LDO的工作模式切换到待机模式以节省功耗。如图46所示，STANDBY信号由系统发出，它的逻辑高电平是LDO的输出电平VDDl8，即其电位为18V左右。所以用当它来控制LDO时，必须将其高电平转换为LDO的输入电压，即VDD50。图46中LS模块就是用来做电平转换的，其电路如图47所示。VDD5 t。 ：j，M3；|咕!j乇 ；m 。 。 1。掣簟 篓毋 l麓 10爷 ，4。，”，；。?4：二。谚OIFf一
43、；： I 1 ”oI仃B、MlO ：M1旁。jIN簪一1； ；：n 缔S图47电平转换电路24电平转换电路的工作原理是：输入为18V的高电平时，NMOS管MIO打开，MI管关断；则PMOS管M2的栅极电压被拉到零，M2管开启，VDD50的电压传到其漏极，并且同时将PMOS管M3关断，所以实现了将18V电平向5V电平的转换。后面几级反相器是用来增大驱动能力的，另外还输出了一路与STANDBY相反的信号。出于耐压的考虑，除反相器12之外的所有管子都要用能耐5V高压的管子。第六节稳压电路的设计稳压模块由误差放大器和电阻反馈网络组成，如图48所示。这里将LDO的调整管放到误差放大器里一块介绍。D50珥
44、IASvRFB矾STDHVSS图48稳压电路拓扑图1误差放大器的设计误差放大器是稳压电路的关键模块。因为LDO需要带大的负载电容和负载电流，所以需要用到跨导型放大器(简称OTA-Operational TransconductanceAmplifier)。这里采用了OTA中用得最多的一个结构对称型OTA，也叫电流镜型放大器，如图49所示。因为其结构对称，所以提高了匹配，提供了很好的失调和共模抑制比(CMRR-CommonMode Rejection Ratio)特性m。图49虚线框中就是一电流镜型放大器，M18和M19是一对由PMOS管组成的输入对管，同时放大器中有三个电流镜负载，其中两个由N
45、MOS管MI l和M12，及NMOS管M13和M14构成的，另外一个是由PMOS管M5和M7组成。PMOS管M2是用来给OTA提供偏置电流的。25计 i“ ；与喇尬 墨I k甚副 ，町 艏j 翟1， ll卜 l m r忑坤舻M”I犁82-“-轴测l 。鬻l 毒腼 l厂1 n 谶攀 l ；铲辛学坪图49误差放大器电路图49中PMOS管M1是LDO的调整管。PMOS管M6是用作频率补偿电容的。PMOS管M3，M16是用来调整OTA偏置电流的。并由STDH信号控制。STDH信号是模式转换电路的输出信号，它是一个5V电平的STANDBY控制信号，当STDH为高电平，即待机模式时，M16关断，偏置电流减
46、小；当STDH为低电平，即普通模式时，M16打开，偏置电流增大。+? Rt审 c。； gm耽S 洲c：厂h gml$vi L图410误差放大器小信号等效电路图410为误差放大器的小信号等效电路，可以写出电路的传递函数为： 州。专2硒gM丽IsgMi4RiR2其中， ，Rl=L19二Cl=CGsl3+CGsl4+CDBl3+CDBl9R2=145C2 2CDB5+CDBl4+CL可以看出放大器本身有两个极点，如果把输出节点之外的节点称作内部节点，那么，通过前面的分析我们可以看到，输出节点的对地电阻比内部节点的对地电阻大得多，且调整管的栅电容C，(CL)远大于Cl，因此输出节点决定了放大器的主极点
47、：B 2最最件哟也即相当于前面第三章中分析的LDO的寄生极点P3。若定义参数K为：Ki=当争(l表示第i个Mos管，当Mos管是P管时，u o=u。；当MOS管为N管时，u o=1t。又令仅：监K13 (419)Q称作电流增益。则图49虚线框中所示的电流镜型放大器的直流增益【8】A。2 txgMl8(r出5r出14) (4。20)其中，g。=、|2UpCox(WL)mIml8，rd。石1，所以A。虻。 Ib (421)另外其单位增益带宽及压摆率可以由下面的式子得到G警：巫孕互 22，CI CI tz二7sR：堕CL (423)其中，CL是电流镜放大器的负载电容，Ib是偏置电流。由式(4-22)
48、及(4。23)可知，为了提高单位增益带宽及压摆率，可以增大偏置电流。但是，因为增益和偏置电流的平方根成反比，所以大的偏置电流会降低增益。在保证LDO对单位增益带宽和压摆率要求的前提下，尽量降低偏置电流。一来，可以提高增益：另外，偏置电流的减小，也同时降低了整个LDO的静态电流，提高了LDO的效率。所以，前面讲到的不同模式下偏置电流的处理正是基于以上的分析。2电阻反馈网络的设计电阻反馈网络是一个电阻分压网路。利用电阻分压，将误差放大器产生的18V电压分出一个跟参考电压值相等的一个信号，这里参考电压值是122V。并将反馈信号送回到误差放大器的输入端与参考电压进行比较放大，从而调整输出电压，使其稳定在18V左右。具体电路如图41 1所示。同样，为了降低静态电流，这里也将其分为待机模式和普通工作模式两种情况。设定待机模式时，电阻反馈网路消耗电流为luA，此时其总电阻为18M欧姆；普通工作模式其电流消耗为10uA，这时总电阻为180K欧姆。27硒0盯V摹3图41l电阻反馈网络
