ldo誤差放大器頻率技術分析與設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 DO 的精度、 PSRR、瞬態響應速度等性能。當 reff VV? 時，理想狀態下，利用負反饋功能實現 LDO 輸出電壓值的確定，并由下式給出： )/1(V 21o u t o ffr e f RRV ?? （ 21） 反饋網絡（ Feedback Network） 其作用有兩個 :輸出端電壓 (Vouto)變化時，通過反饋網絡兩個電阻 1fR 、 2fR采樣，傳送到誤差放大器的正輸入端，達到負反饋的目的。通過調節 1fR 、 2fR的大小，可以改變輸出電壓 (Vouto)的大小。 調整管（ Pass Element） 主要作用是為負載輸出大電流提供通道。由于其容抗很大，所以要求誤差放大器要有很強的驅動能力。圖 21 中選擇 PMOS 管作為調整管， 由于效率的要求，調整管一般工作在線性區。物理構造與普通的 MOS 管不同，一般會增加漂移區以承受漏 — 源高壓，增加場釋放結構 (fieldrelief)，以防止將薄的氧化層擊穿。另外，由于調整管流過的電流很大，因此還要注意散熱。 片外電容（ Offchip Capacitor） 它的作用主要是使 LDO 穩定，對 LDO 系統傳輸函數中所存在的低頻極 點進行補償。 Re 是等效串聯電阻，與電容 Cout 產生的一個零點位于： )2/(1f outeze ro CR?? （ 22） 以上便是 LDO 的主要結構。然而在實際芯片設計中往往還會考慮到芯片的工作安全問題，為使電路在負載電流過大或在高溫下工作時不被損壞，通常重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 12 還會加入限流電路、過流保護電路。另外，在有些較為先進的技術中，可以省去片外電容，以節省面積，并且保證環路的穩定性。 LDO 原理分析 由上面各模塊的功能介紹可以了解 LDO 的基本工作原理：由于輸入電壓或輸出電流變化，引起了輸出電壓的變化，則反饋網絡會立即將信號傳送到誤差放大器的正輸端，并與基準電壓源做比較，將其差值 放大到輸出端 (Vout)，控制 PMOS 調整管柵極電壓，從而對調整管的輸出電流作用，最終調整輸出電壓 Vouto,保證 LDO 始終工作在穩定狀態。 下面以電源電壓 (VDD)升高為例，參照圖 21 和圖 22 來說明 LDO 主要的工作過程： 當電源電壓升高 (工作范圍內 )時，調整管 MPT 的漏 — 源電壓絕對值 | DSV |上升 ,由式 23 可知， 1t 時刻，調整管輸出電流由 1outI 上升到 2outI 從而引起輸出電壓也從 1outV 上升到 2outV 。反饋網絡采樣輸出變化后，反饋到誤差放大器的正輸入端 fV ，從而產生誤差 信號： 0V referr ??? VV f 。通過誤差放大器后，在 1t時刻，使得 MPT 柵極電壓上升，從而使得柵 — 源電壓絕對值 | GSV |下降，再由公式 23 可得：電流在 t2 時刻 2outI 下降到 1outI 輸出電壓進入穩定狀態，這里211 39。t tt ?? 。 ]21|)|[(|I| 2SDD SDt h pSGoxp VVVVLWCu ??? （ 23） 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 13 圖 22電源電壓變化時穩壓器的工作過程 第二節 誤差放大器對 LDO 的影響 前面主要談到了 LDO 的相關基礎，那么誤差放大器在 LDO 中的影響如何呢？誤差放大器作為 LDO 的重要組成部分，其性能直接影響 LDO，具體表現為以下幾個方面： 誤差放大器的增益直接影響著 LDO 的電源電壓抑制比、環路增益、線性 (電壓 )調整率及負載調整率； 誤差放大器的零極點位置影響 LDO 包括環路穩定性在內的頻率特性； 誤差放大器的轉換速率影響 LDO 的線性瞬態響應和負載瞬態響應； 誤差放大器的驅動能力影響 LDO 的線性瞬態響應和負載瞬態響應； 誤差放大器作為 LDO整體結構的一部分 ,其靜態電流決定 LDO的效率； 誤差放大器的面積影響整體面積 ,特別是補償電容； 誤差放大器作為反饋的主要部分，控制著柵極電壓 ，從而控制調整管的輸出電流 ,使輸出電壓保持穩定。 綜上所述，作為 LDO 核心，誤差放大器起著舉足輕重的作用，設計一個性能 (特別是開環頻率響應和補償電容的尺寸 )良好的誤差放大器對 LDO 來說重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 14 是必須的。 第三節 本章小結 本章主要介紹了 LDO 的內部結構、工作原理以及誤差放大器在 LDO 中的作用和影響。本章指出 LDO 是由 基準電壓源 (VREF),誤差放大器 (Error Amplifier),反饋網絡 (Feedback Network),PMOS調整管 (Pass Element),及片外電容 (Offchip capacitor)組成；并由此分析了 LDO 的工作原理；在此基礎上引出 LDO 的核心組成部分 —— 誤差放大器，以方便下文對誤差放大器的分析與研究。重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 15 第 三 章 誤差放大器電路分析與設計 第一節 基本電路單元設計 一個三級放大器必然包括基本的三級：輸入級 — 提供高增益幅度；中間增益級 — 進一步提升增益幅度；輸出增益級 — 提高輸出擺幅和增益幅度。由于三級放大器補償設計的需要，下面主要分析可選用的相關電路的電壓增益和一些輸入、輸出寄生電容。 輸入級 由于第一級放大器主要作用是使輸入共模電壓的范圍最大化 ，并且提供主要的增益，比較共源共柵放大器與折疊共源共柵的優缺點，由于共源共柵結構的輸入共模電壓范圍較低，根據傳統的設計方法，通常第一級一般采用折疊共源共柵電路 [3]，如圖 31 所示： 圖 31 折疊共源共柵放大器 首先 ,此電路單端輸出的最大電壓擺幅： , m a x , m i n 4 6 8 1 0( | | | | )o u t o u t D D O D O D O D O DV V V V V V V? ? ? ? ? ? （ 31） 放大器跨導為： 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 16 1 2 1 , 2( / )m m m p o xG g g u C W L I s s? ? ? （ 32） 輸出電阻可用小信號分析法得到： 6 6 6 1 4 8 8 8 1 0[ ( ) ( || ) ] || [ ( ) ]o u t m m b d s d s d s m m b d s d sR g g r r r g g r r? ? ? （ 33） 綜合式（ 22）、（ 23），可得到： 1 6 6 6 1 4 8 8 8 1 0.[ ( ) ( || ) ] || [ ( ) ]v m o u t m m m b d s d s d s m m b d s d sA G R g g g r r r g g r r? ? ? ? （ 34） 計算輸出點總電容： 6 6 8 8 1o u t G D D B G D D B LC C C C C C? ? ? ? ? （ 35） 式中， 1LC 是此折疊式共源共柵放大器的負載電容 ； 2 ( )D B S B j j s wC C W L C W L C? ? ? ? （ 36） W、 L 為器件寬和長 ， jC 和 jswC 分別為單位面積和單位長度電容； GD ovC W C?? ，（ ovC 為單位寬度交疊電容） 由上可見偏置電壓 1 2 3,b b bV V V 的選擇很重要，需要在擺幅、偏置電流與增益之間平衡，提升 DDV 能增加擺幅，但這無疑是消耗了更多的功耗；減小層疊數 ,也可達到相同目的，但是會減小增益，所以要采用多級放大器級聯的方式來解決問題。另外，減小寄生電容的方法是減小寬長積，而匹配性能會變差，較為有效的方法是在版圖布局的時候 MOS 管盡量采用叉指 狀的方式來減小寄生電容的存在。 中間級 在三級放大器中，中間級的主要作用是提升增益 ,增益的大小需要根據拓撲結構的要求而定，同時需要注意的是其寄生電容對整體電路的頻率的影響。圖 32 介紹了兩種簡單的單級放大器。 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 17 圖 32 共源級放大器 對于圖 32(a)所示的二極管連接的 PMOS 負載的共源級放大器，跨導為MN 管的跨導 — mNg ,輸出電阻為 : 1 ,( ) / / / /m P d s M P d s M Ng r r? ，其電壓增益為： 1,1( ( ) / / / /()( / )( / )v m N m P ds ds M Nm N m PnNPPA g g r rggu W Lu W L???????? （ 37） 根據米勒效應，輸入電容為： 1,1( 1 ( ( ) / / ) )( 1 ( ) )in G S M N m N m P oP G D M NG S M N m N m P G D M NC C g g r CC g g C??? ? ?? ? ? （ 38） 輸出電容為： 1 , , , 2( 1 ( ) )o u t m P m N G D M N D B M P D B M N LC g g C C C C?? ? ? ? ? （ 39） 式中， 2 / 3G S O X O VC W L C W C??； OXC —— 單位面積柵氧化層電容； 2LC —— 共源級放大器的負載電容。 現代 CMOS 工藝所制作的器件，溝道長度調制非常明顯，一般還不能忽 略其作用。這里主要是為了方便分析所以簡化了。從上面的式子可以看到要 得到一個較大的增益，則 NMOS 管的寬長比須比 PMOS 管大得多，同時引起的寄生電容和版圖面積也會 增加。 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 18 對于圖 32(b)所示的電流源負載共源級 ,跨導為 MN 管的跨導 — mNg ， 輸出電阻為： ,//ds MN ds MPrr，由于 1()ds DSrI? ?? ，正比于 L， 所以其值很大 ,電路增益可以得到提高。其電壓增益為： ,( / / )v m N d s M N d s M PA g r r?? （ 310） 根據米勒效應，輸入電容表示為： , , , ,(1 ( / / ) )i n G S M N m N d s M N d s M P G D M NC C g r r C? ? ? （ 311） 輸出電容為： , , , , 2o u t G D M N G D M P D B M P D B M N LC C C C C C? ? ? ? ? （ 312） 為了獲得高的增益，本設計選擇圖（ b）電路。 輸出級 輸出級既要提供一定的增益和較大的輸出擺幅，還要以電壓或者電流的形式提供足夠的輸出功率，保證高效率。常見的輸出級電路有：源級跟隨器和推挽式電路結 構，如圖 33 所示。由于圖 (a)源極跟隨器的電壓擺幅遠沒有推挽式結構性能良好，一般不采用，所以下面分析圖 (b)推挽式結構。 圖 33 輸出級電路 其輸出擺幅理論上可以達到全擺幅 ,即在電源電壓 VDD 范圍內。跨導為 mN mPgg? ，輸出電阻為： ,//ds MN ds MPrr，其增益為： ,( ) ( / / )v m N m P d s M N d s M PA g g r r? ? ? （ 313） 當 mN mPgg? 時，上式變為 重慶郵電大學本科畢業設計（論文） 19 ,2 ( / / )v m N d s M N d s M PA g r r?? （ 314） 根據米勒效應，計算輸入電容為： , , , ,( 1 | | / 2 ) ( )i n G S M N G S M P v G D M N G D M PC C C A C C? ? ? ? ? （ 315） 輸出電容為： , , , ,o u t G D