1、 学术发表和写作资源平台: QQ:275252867论文发表联系方式 qq:278121888集成电路设计论文数字集成电路设计论文:基于 LDO 线性稳压器的低电压 CMOS 误差放大器设计摘要:针对目前 LDO 线性稳压器的广泛应用, 本文设计了一款性能更加完善的 CMOS误差放大器。该电路结构具有低功耗、高转换速率、低电压启动等特性;此电路的设计基于CSMC 5V 0.5um CMOS 工艺下完成;线路的仿真验证是基于 cadence 软件下通过spectre 仿真器仿真。 关键词:LDO 线性稳压器; 误差放大器;CMOS 进入 21 世纪以后,国内 IC 地快速发展,打断了很多国外的
2、垄断,使得电子产品的价格相对以往便宜很多。目前发展较快的一方面是便携式电源,它更多地应用于数码相机、蓝牙、GPS 等。LDO 线性稳压器属于电源管理电路的一种, 其较低的输入输出电压使电池具有较高的使用效率。它具有高效率、高集成度、小巧外形以及设计灵活等优点,使得众多便携设备的设计者有了更好的选择。 一、误差放大器的基本特性 稳定性方面:运放通常是多级放大器 ,每一个增益级都会产生一个主极点 ,而在多极点系统中,系统往往是不稳定的。但可以通过 “频率补偿”技术改变系统零极点位置达到稳定。 共模输入输出方面:只有输入信号在共模数值范围内 ,误差放大器才能正常工作,并能以相同的增益放大不同的信号;
3、输出电压的最大摆幅与运放结构、器件尺寸、偏置电流有一定关系,但和速度之间,其性能指标是相互制约的,只有折中选取。 增益方面:运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。理想运放的开环增益为无穷大,实际情况增益 AV=Vout/(Vip-Vin)。如果综合考虑速度与输出电压摆幅这一类的参数,则在设计运放时,必须知道运放需要的最小增益。高的开环增益有抑制非线性的能力。 二、误差放大器的线路结构 它是由三大模块构成,一是低电压启动偏置电路 ,二是运放输入级 ,三是运放输出缓冲级。这是低电源的误差放大器,双端输入单端输出 ,并采用有源负载。具体线路如图所示 : 三、误差放大器的工作原理 EN 和 E
4、NN 是相反的使能控制信号, 当 EN 为高电平时,电路不正常工作, 误差放大器消耗的电流接近 0.1uA;当 EN 为低电平时,误差放大器正常工作, 消耗的电流大约为 10uA。由于 EN 为低电平,M1 和 M2 管子开启,M6 的栅极和漏极相接 ,等效为二极管,因此当电压VDD=VTH+VDS1+VDS2 时, 电路启动工作。VDD 电压大约 1.2V 时就能够建立工作,所以此运放适合一个低电源电压电路。在启动电路中用了一个大的电阻值和一个大的倒比管。整个电路工作时,启动电路的电流一直在损耗 ,所以选取大阻值以减少这个支路上消耗的电流,实现低功耗。电路启动以后 ,使得 M4 支路上的镜像
5、电流受到电阻 R1 的影响,R1 越大,支路电流越小。C2 和 C3 的作用主要是为了滤除电源上的高频噪声,C1 主要是稳定 R1 上的电压波动,对此滤除纹波。 由左下图可见,M17 和 M18 为该放大器的差分对管,它将输入电压转换成电流,对交流信号能够起到第一级放大;M12 和 M13 为负载的有源电流镜 ,因此能够提高差分放大器的增益。M19 主要为差分放大器提供尾电流,可以控制误差放大器的转换速率 ;图 M22 起到第二级放大,M11 通过 M12 镜像电流,提供给 M22 管,此处采用 M20、M21 串联,M22、M23 串联。主要作用是将差分放大器双端转变为单端输出,进一步提高放
6、大器的增益; 误差放大器的输出端控制调整管 PMOS 的栅极 ,由于 LDO 调整管 PMOS 要求较小损耗、较低输出压差、学术发表和写作资源平台: QQ:275252867论文发表联系方式 qq:278121888较小导通电阻,所以这个 PMOS 管的面积必须比较大,导致电容值较大,因此这个误差放大器缓冲级的驱动管要比较强 ,M14 和 M16 的宽长比较大。 当在 5V 电源时,通过仿真得到运放特性如下 :开环增益为 62dB,相位裕度为 65 度,增益带宽积达到 15.3M,电源抑制比在低频时为-70dB 左右, 输入电压范围为 0.9V 到 4.1V,输出电压约为 0V 到 5V;当
7、电源电压为 1.5V 时, 运放还是能够正常工作,完全可以适合低电源的LDO 线性稳压电路。 此误差放大器的设计基于 CSMC 5V 0.5um CMOS 工艺,它不仅转换速率高, 增益大,静态电流低,工作电压范围宽,而且带有低启动电路,适合低电源电压工作。 参考文献 1 Behzad Razavi.模拟 CMOS 集成电路设计, 陈贵灿,程军,张瑞智.西安: 西安交通大学出版社,2002.2 PAllen.CMOS IC design M.第二版,北京:电子工业出版社,2005. 3 Alan Hastings.模拟电路版图的艺术 (第二版),张为.北京:电子工业出版社,2007. 4 Fa
8、n Hua,Feng Quanyuan.Design of an OP-AMP Based on a LDO Regulator.Chinese Journal of Semiconductors,2005. 5 Jeongjin Roh.High Performance Error amplifier for Fast transient DCDC Converters.IEEE Trans.on Circuits and Systems. 6 PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg.CMOS Analog Circuit Design Second Edition. 作者简介: 蔡惠玲,1982 年 10 月出生, 女,浙江临海人, 现工作于浙江吉利技师学院,职称: 助教。同时为杭州电子科技大学电子与通信工程专业的在职研究生。