一种无片外电容的ldo设计(附件)【字数：9636】
摘 要随着现代科技的发展，越来越多样的电子产品出现在人们视野中。低压差线性稳压器LDO ，因为电路结构简易、低噪声及低成本的优势，在电源管理芯片中应用广泛。但传统的LDO逐渐无法满足对芯片噪声、稳定性、瞬态响应等方面的更高要求。因此，目前电源管理电路研究的热点是高性能LDO。随着系统要求功能越来越高，传统的LDO逐渐无法满足更高的性能要求，所以无片外电容LDO逐渐被业界所重视。但是无片外电容的稳定性和瞬态特性也是个难点，需要深入探讨。本设计研究了一种TSMC 0.35μm工艺的瞬态增强无电容型LDO，其在1us跳变时输出电压瞬态变化最大为102mV。通过调节PMOS功率管的宽长比，使得最小压差为200mv，PSRR为77dB@10Hz，65.92dB@1kHz，基本了达到设计指标。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及发展趋势 1
1.3论文的主要内容和结构安排 2
第二章 LDO的基本原理及性能参数 3
2.1LDO的基本结构及工作原理 3
2.2稳定性 3
2.3补偿方法 4
2.4主要性能指标 5
2.4.1压差 5
2.4.2静态电流 6
2.4.3效率 6
2.4.4线性调整率 6
2.4.5负载调整率 6
2.4.6精度 7
2.4.7电源抑制比 7
2.4.8瞬态响应 7
2.5 设计指标 9
2.6本章小结 9
第三章 电路设计及结构分析 10
3.1功率管的设计 10
3.2电流偏置电路的设计 10
3.3 误差放大器的设计 12
3.4频率补偿 13
3.4.1普通ESR补偿 13
3.4.2 动态密勒电容补偿及LDO稳定性分析 15
第四章 整体电路的仿真和分析 18
4.1原理图 18
4.2直流仿真 18
4.3交流特性 19
4.4瞬态仿真 20 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
如今，在这日新月异的信息化时代，人们无时无刻不使用着电子产品，电源管理芯片也在其中起到了关键作用。我们的笔记本电脑、手机、Pad、数码相机等电子产品都含有电源管理芯片。电源性能的好坏与电子产品的质量紧密相关。电源管理芯片的作用是把不同的电压变为可以使电子产品稳定工作的电压。电源管理芯片分为线性稳压器LDO、开关电源稳压器和电荷泵电压转换器三大类。低压差线性稳压器因为其成本低、低噪声、低功耗、输出稳定和电路结构简单的特点被广泛应用于高端便携式设备中。
随着电源管理芯片的应用逐渐普及，芯片集成度也更高了，因此近几年片上系统 SOC 的发展趋势非常迅猛。但由于片上系统 SOC 的内部结构较为复杂，其中包含很多数模或者模数转换模块以及数字模块。为了能够保证片上系统 SOC能从各方面达到所期望的性能指标，通常针对于不同功能模块应用不同标准的低压差线性稳压器 LDO。传统的 LDO 为了能够满足 LDO 稳定性和瞬态响应的需求，都会采用在输出端接入一个微法级的片外电容来解决。但对于片上系统 SOC 来说这一方法会让电源管理芯片的面积增大，也就是大大降低了芯片的集成度。因此在保证 LDO 能够与数字工艺相互兼容的同时，如何将传统 LDO 的片外大电容消除提高芯片集成度，也是目前 LDO 研究和发展的一个主流趋势。
无片外电容的 LDO 不仅可以减小尺寸来降低生产成本，还可以减少外部元件和引脚的数目从而使压焊线寄生电感对 LDO 精度的不利影响得以消除。所以关于无片外电容 LDO 的研究和设计意义和价值十分重大。
1.2国内外研究现状及发展趋势
国外的LDO技术已经很成熟，国内虽然也在一步步跟进，但两者间的差距还是很大。如今集成度要求越来越高，LDO的性能要求也更高了。因此研究具有高PSRR、低噪声、低功耗等高性能的LDO对便携式电子设备尤为重要。
高PSRR：就是芯片上集成的功能越来多而且越来越紧密，芯片外部元件数量很少，设计精简，可靠性高，用户使用方便，是电源设计的趋势。
低噪声：由于系统做的越来越复杂，集成度越来越高，电源及地线和信号线之间的影响很难避免。特别是模数混合信号靠的很近的时候，数字信号的瞬态跳变产生的信号噪声很容易耦合到电源线和地上，这样引起电源电压的噪声。
快速瞬态响应：芯片有关机模式和待机模式两种模式。一旦接到工作命令，系统电源会在接到指令后的几个系统时钟内做好准备。随着电路工作的频率越来越高，就要求LDO的瞬态响速度要快，并且瞬态响应的输出电压的上冲或下冲也要满足相应的指标。
无片外电容：集成电路产业飞速壮大，SOC逐步变为主导。无大的输出电容或者说无片外电容型LDO已成为当今LDO设计的热点。然而由于缺少输出电容引起的稳定性问题和较差的瞬态响应性能也是一个设计难点，需要进一步研究。
1.3论文的主要内容和结构安排
本文将从四个章节来具体论述无片外电容LDO的电路设计并完成仿真。本文使用TSMC 0.35μm CMOS工艺，利用Cadence完成无片外电容LDO的设计和仿真。论文各个章节安排如下：
第一章绪论部分简述LDO线性稳压器的课题研究背景及意义，并分析国内外研究现状及发展趋势，并简述论文主要内容和结构安排。
第二章简述了LDO的基本结构与工作原理，然后详细分析了LDO的主要性能指标，最后进行总结。
第三章对本文所设计的电路各模块进行了分析，主要包括功率管、基准电流源以及误差放大器。
第四章开始了无片外电容LDO的设计，首先设计指标，之后完成电路设计、仿真，最后给出LDO的整体性能仿真结果，验证电路正确性。
第二章 LDO的基本原理及性能参数
2.1LDO的基本结构及工作原理
从某种角度上说，LDO线性稳压器归属于多级放大器，通过对比带隙基准电压和反馈电压从而确定其输出电压。LDO线性稳压器结构如图21所示，一般由带隙基准、误差放大器、功率管、反馈网络等其他保护电路组成，输出端通常接一个负载电容用于频率补偿以确保系统稳定。保护电路一般包含过温保护电路与过流保护电路。
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图21 LDO线性稳压器基本结构
LDO线性稳压器的工作原理：系统上电后带隙基准模块生成参考电压Vref，输出电压Vout是通过电阻分压器RF1和RF2采样的，在误差放大器的一个输入端该分压信号Vfb反馈，另一个输入端接参考电压，经过控制调整器的输出电流来维持直流电压的稳定输出。如果误差放大器的增益足够大利用虚短特性即可确定输出电压Vout的大小，得到式（2.1）。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及发展趋势 1
1.3论文的主要内容和结构安排 2
第二章 LDO的基本原理及性能参数 3
2.1LDO的基本结构及工作原理 3
2.2稳定性 3
2.3补偿方法 4
2.4主要性能指标 5
2.4.1压差 5
2.4.2静态电流 6
2.4.3效率 6
2.4.4线性调整率 6
2.4.5负载调整率 6
2.4.6精度 7
2.4.7电源抑制比 7
2.4.8瞬态响应 7
2.5 设计指标 9
2.6本章小结 9
第三章 电路设计及结构分析 10
3.1功率管的设计 10
3.2电流偏置电路的设计 10
3.3 误差放大器的设计 12
3.4频率补偿 13
3.4.1普通ESR补偿 13
3.4.2 动态密勒电容补偿及LDO稳定性分析 15
第四章 整体电路的仿真和分析 18
4.1原理图 18
4.2直流仿真 18
4.3交流特性 19
4.4瞬态仿真 20 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
如今，在这日新月异的信息化时代，人们无时无刻不使用着电子产品，电源管理芯片也在其中起到了关键作用。我们的笔记本电脑、手机、Pad、数码相机等电子产品都含有电源管理芯片。电源性能的好坏与电子产品的质量紧密相关。电源管理芯片的作用是把不同的电压变为可以使电子产品稳定工作的电压。电源管理芯片分为线性稳压器LDO、开关电源稳压器和电荷泵电压转换器三大类。低压差线性稳压器因为其成本低、低噪声、低功耗、输出稳定和电路结构简单的特点被广泛应用于高端便携式设备中。
随着电源管理芯片的应用逐渐普及，芯片集成度也更高了，因此近几年片上系统 SOC 的发展趋势非常迅猛。但由于片上系统 SOC 的内部结构较为复杂，其中包含很多数模或者模数转换模块以及数字模块。为了能够保证片上系统 SOC能从各方面达到所期望的性能指标，通常针对于不同功能模块应用不同标准的低压差线性稳压器 LDO。传统的 LDO 为了能够满足 LDO 稳定性和瞬态响应的需求，都会采用在输出端接入一个微法级的片外电容来解决。但对于片上系统 SOC 来说这一方法会让电源管理芯片的面积增大，也就是大大降低了芯片的集成度。因此在保证 LDO 能够与数字工艺相互兼容的同时，如何将传统 LDO 的片外大电容消除提高芯片集成度，也是目前 LDO 研究和发展的一个主流趋势。
无片外电容的 LDO 不仅可以减小尺寸来降低生产成本，还可以减少外部元件和引脚的数目从而使压焊线寄生电感对 LDO 精度的不利影响得以消除。所以关于无片外电容 LDO 的研究和设计意义和价值十分重大。
1.2国内外研究现状及发展趋势
国外的LDO技术已经很成熟，国内虽然也在一步步跟进，但两者间的差距还是很大。如今集成度要求越来越高，LDO的性能要求也更高了。因此研究具有高PSRR、低噪声、低功耗等高性能的LDO对便携式电子设备尤为重要。
高PSRR：就是芯片上集成的功能越来多而且越来越紧密，芯片外部元件数量很少，设计精简，可靠性高，用户使用方便，是电源设计的趋势。
低噪声：由于系统做的越来越复杂，集成度越来越高，电源及地线和信号线之间的影响很难避免。特别是模数混合信号靠的很近的时候，数字信号的瞬态跳变产生的信号噪声很容易耦合到电源线和地上，这样引起电源电压的噪声。
快速瞬态响应：芯片有关机模式和待机模式两种模式。一旦接到工作命令，系统电源会在接到指令后的几个系统时钟内做好准备。随着电路工作的频率越来越高，就要求LDO的瞬态响速度要快，并且瞬态响应的输出电压的上冲或下冲也要满足相应的指标。
无片外电容：集成电路产业飞速壮大，SOC逐步变为主导。无大的输出电容或者说无片外电容型LDO已成为当今LDO设计的热点。然而由于缺少输出电容引起的稳定性问题和较差的瞬态响应性能也是一个设计难点，需要进一步研究。
1.3论文的主要内容和结构安排
本文将从四个章节来具体论述无片外电容LDO的电路设计并完成仿真。本文使用TSMC 0.35μm CMOS工艺，利用Cadence完成无片外电容LDO的设计和仿真。论文各个章节安排如下：
第一章绪论部分简述LDO线性稳压器的课题研究背景及意义，并分析国内外研究现状及发展趋势，并简述论文主要内容和结构安排。
第二章简述了LDO的基本结构与工作原理，然后详细分析了LDO的主要性能指标，最后进行总结。
第三章对本文所设计的电路各模块进行了分析，主要包括功率管、基准电流源以及误差放大器。
第四章开始了无片外电容LDO的设计，首先设计指标，之后完成电路设计、仿真，最后给出LDO的整体性能仿真结果，验证电路正确性。
第二章 LDO的基本原理及性能参数
2.1LDO的基本结构及工作原理
从某种角度上说，LDO线性稳压器归属于多级放大器，通过对比带隙基准电压和反馈电压从而确定其输出电压。LDO线性稳压器结构如图21所示，一般由带隙基准、误差放大器、功率管、反馈网络等其他保护电路组成，输出端通常接一个负载电容用于频率补偿以确保系统稳定。保护电路一般包含过温保护电路与过流保护电路。
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图21 LDO线性稳压器基本结构
LDO线性稳压器的工作原理：系统上电后带隙基准模块生成参考电压Vref，输出电压Vout是通过电阻分压器RF1和RF2采样的，在误差放大器的一个输入端该分压信号Vfb反馈，另一个输入端接参考电压，经过控制调整器的输出电流来维持直流电压的稳定输出。如果误差放大器的增益足够大利用虚短特性即可确定输出电压Vout的大小，得到式（2.1）。
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