ldo误差放大器频率技术分析与设计毕业设计论文(编辑修改稿)

ldo误差放大器频率技术分析与设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

DO 的精度、 PSRR、瞬态响应速度等性能。 当 reff VV 时，理想状态下，利用负反馈功能实现 LDO 输出电压值的确定，并由下式给出： )/1(V 21o u t o ffr e f RRV  （ 21） 反馈网络（ Feedback Network） 其作用有两个 :输出端电压 (Vouto)变化时，通过反馈网络两个电阻 1fR 、 2fR采样，传送到误差放大器的正输入端，达到负反馈的目的。 通过调节 1fR 、 2fR的大小，可以改变输出电压 (Vouto)的大小。 调整管（ Pass Element） 主要作用是为负载输出大电流提供通道。 由于其容抗很大，所以要求误差放大器要有很强的驱动能力。 图 21 中选择 PMOS 管作为调整管， 由于效率的要求，调整管一般工作在线性区。 物理构造与普通的 MOS 管不同，一般会增加漂移区以承受漏 — 源高压，增加场释放结构 (fieldrelief)，以防止将薄的氧化层击穿。 另外，由于调整管流过的电流很大，因此还要注意散热。 片外电容（ Offchip Capacitor） 它的作用主要是使 LDO 稳定，对 LDO 系统传输函数中所存在的低频极 点进行补偿。 Re 是等效串联电阻，与电容 Cout 产生的一个零点位于： )2/(1f outeze ro CR （ 22） 以上便是 LDO 的主要结构。 然而在实际芯片设计中往往还会考虑到芯片的工作安全问题，为使电路在负载电流过大或在高温下工作时不被损坏，通常重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 12 还会加入限流电路、过流保护电路。 另外，在有些较为先进的技术中，可以省去片外电容，以节省面积，并且保证环路的稳定性。 LDO 原理分析 由上面各模块的功能介绍可以了解 LDO 的基本工作原理：由于输入电压或输出电流变化，引起了输出电压的变化，则反馈网络会立即将信号传送到误差放大器的正输端，并与基准电压源做比较，将其差值 放大到输出端 (Vout)，控制 PMOS 调整管栅极电压，从而对调整管的输出电流作用，最终调整输出电压 Vouto,保证 LDO 始终工作在稳定状态。 下面以电源电压 (VDD)升高为例，参照图 21 和图 22 来说明 LDO 主要的工作过程： 当电源电压升高 (工作范围内 )时，调整管 MPT 的漏 — 源电压绝对值 | DSV |上升 ,由式 23 可知， 1t 时刻，调整管输出电流由 1outI 上升到 2outI 从而引起输出电压也从 1outV 上升到 2outV。 反馈网络采样输出变化后，反馈到误差放大器的正输入端 fV ，从而产生误差 信号： 0V referr  VV f。 通过误差放大器后，在 1t时刻，使得 MPT 栅极电压上升，从而使得栅 — 源电压绝对值 | GSV |下降，再由公式 23 可得：电流在 t2 时刻 2outI 下降到 1outI 输出电压进入稳定状态，这里211 39。 t tt 。 ]21|)|[(|I| 2SDD SDt h pSGoxp VVVVLWCu  （ 23） 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 13 图 22电源电压变化时稳压器的工作过程 第二节 误差放大器对 LDO 的影响 前面主要谈到了 LDO 的相关基础，那么误差放大器在 LDO 中的影响如何呢。 误差放大器作为 LDO 的重要组成部分，其性能直接影响 LDO，具体表现为以下几个方面： 误差放大器的增益直接影响着 LDO 的电源电压抑制比、环路增益、线性 (电压 )调整率及负载调整率； 误差放大器的零极点位置影响 LDO 包括环路稳定性在内的频率特性； 误差放大器的转换速率影响 LDO 的线性瞬态响应和负载瞬态响应； 误差放大器的驱动能力影响 LDO 的线性瞬态响应和负载瞬态响应； 误差放大器作为 LDO整体结构的一部分 ,其静态电流决定 LDO的效率； 误差放大器的面积影响整体面积 ,特别是补偿电容； 误差放大器作为反馈的主要部分，控制着栅极电压 ，从而控制调整管的输出电流 ,使输出电压保持稳定。 综上所述，作为 LDO 核心，误差放大器起着举足轻重的作用，设计一个性能 (特别是开环频率响应和补偿电容的尺寸 )良好的误差放大器对 LDO 来说重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 14 是必须的。 第三节 本章小结 本章主要介绍了 LDO 的内部结构、工作原理以及误差放大器在 LDO 中的作用和影响。 本章指出 LDO 是由 基准电压源 (VREF),误差放大器 (Error Amplifier),反馈网络 (Feedback Network),PMOS调整管 (Pass Element),及片外电容 (Offchip capacitor)组成；并由此分析了 LDO 的工作原理；在此基础上引出 LDO 的核心组成部分 —— 误差放大器，以方便下文对误差放大器的分析与研究。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 15 第 三 章 误差放大器电路分析与设计 第一节 基本电路单元设计 一个三级放大器必然包括基本的三级：输入级 — 提供高增益幅度；中间增益级 — 进一步提升增益幅度；输出增益级 — 提高输出摆幅和增益幅度。 由于三级放大器补偿设计的需要，下面主要分析可选用的相关电路的电压增益和一些输入、输出寄生电容。 输入级 由于第一级放大器主要作用是使输入共模电压的范围最大化 ，并且提供主要的增益，比较共源共栅放大器与折叠共源共栅的优缺点，由于共源共栅结构的输入共模电压范围较低，根据传统的设计方法，通常第一级一般采用折叠共源共栅电路 [3]，如图 31 所示： 图 31 折叠共源共栅放大器 首先 ,此电路单端输出的最大电压摆幅： , 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） 放大器跨导为： 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 16 1 2 1 , 2( / )m m m p o xG g g u C W L I s s   （ 32） 输出电阻可用小信号分析法得到： 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） 综合式（ 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） 计算输出点总电容： 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 是此折叠式共源共栅放大器的负载电容 ； 2 ( )D B S B j j s wC C W L C W L C    （ 36） W、 L 为器件宽和长 ， jC 和 jswC 分别为单位面积和单位长度电容； GD ovC W C ，（ ovC 为单位宽度交叠电容） 由上可见偏置电压 1 2 3,b b bV V V 的选择很重要，需要在摆幅、偏置电流与增益之间平衡，提升 DDV 能增加摆幅，但这无疑是消耗了更多的功耗；减小层叠数 ,也可达到相同目的，但是会减小增益，所以要采用多级放大器级联的方式来解决问题。 另外，减小寄生电容的方法是减小宽长积，而匹配性能会变差，较为有效的方法是在版图布局的时候 MOS 管尽量采用叉指 状的方式来减小寄生电容的存在。 中间级 在三级放大器中，中间级的主要作用是提升增益 ,增益的大小需要根据拓扑结构的要求而定，同时需要注意的是其寄生电容对整体电路的频率的影响。 图 32 介绍了两种简单的单级放大器。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 17 图 32 共源级放大器 对于图 32(a)所示的二极管连接的 PMOS 负载的共源级放大器，跨导为MN 管的跨导 — mNg ,输出电阻为 : 1 ,( ) / / / /m P d s M P d s M Ng r r ，其电压增益为： 1,1( ( ) / / / /()( / )( / )v m N m P ds ds M Nm N m PnNPPA g g r rggu W Lu W L （ 37） 根据米勒效应，输入电容为： 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） 输出电容为： 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 —— 单位面积栅氧化层电容； 2LC —— 共源级放大器的负载电容。 现代 CMOS 工艺所制作的器件，沟道长度调制非常明显，一般还不能忽 略其作用。 这里主要是为了方便分析所以简化了。 从上面的式子可以看到要 得到一个较大的增益，则 NMOS 管的宽长比须比 PMOS 管大得多，同时引起的寄生电容和版图面积也会 增加。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 18 对于图 32(b)所示的电流源负载共源级 ,跨导为 MN 管的跨导 — mNg ， 输出电阻为： ,//ds MN ds MPrr，由于 1()ds DSrI  ，正比于 L， 所以其值很大 ,电路增益可以得到提高。 其电压增益为： ,( / / )v m N d s M N d s M PA g r r （ 310） 根据米勒效应，输入电容表示为： , , , ,(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） 输出电容为： , , , , 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） 为了获得高的增益，本设计选择图（ b）电路。 输出级 输出级既要提供一定的增益和较大的输出摆幅，还要以电压或者电流的形式提供足够的输出功率，保证高效率。 常见的输出级电路有：源级跟随器和推挽式电路结 构，如图 33 所示。 由于图 (a)源极跟随器的电压摆幅远没有推挽式结构性能良好，一般不采用，所以下面分析图 (b)推挽式结构。 图 33 输出级电路 其输出摆幅理论上可以达到全摆幅 ,即在电源电压 VDD 范围内。 跨导为 mN mPgg ，输出电阻为： ,//ds MN ds MPrr，其增益为： ,( ) ( / / )v m N m P d s M N d s M PA g g r r   （ 313） 当 mN mPgg 时，上式变为 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 19 ,2 ( / / )v m N d s M N d s M PA g r r （ 314） 根据米勒效应，计算输入电容为： , , , ,( 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） 输出电容为： , , , ,o u t G D。