一种低纹波的ldo设计(附件)【字数：7634】
摘 要本文主要用于设计一种具有低纹波的线性稳压器（LDO）。先介绍了LDO线性稳压器的基本工作原理与设计性能指标，然后从三个方面对系统结构进行研究，并从低纹波设计角度出发，对各方面进行优化，从而确定最终结构。LDO相对于传统电源管理芯片，具有低功耗、低压差、低纹波、高稳定性的优点。取样反馈电路将电压反馈回误差放大器的同相输入，并与参考电压VREF进行比较。误差放大器通过高增益放大它们之间的细微差别，并将它们输出到串联调整的PMOS晶体管的栅极端，从而调整PMOS晶体管的栅源电压差，形成负反馈，使输出电压稳定。本文基于标准0.35CMOS工艺库，设计具有低纹波低压差线性稳压器电路并进行仿真。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 LDO研究现状与发展趋势 2
1.3 本论文的主要工作 3
第二章 LDO的基本结构原理与设计指标 4
2.1 LDO的基本结构 4
2.2 LDO设计指标 5
2.2.1 静态电流 5
2.2.2 压差 5
2.2.3 负载调整率 6
2.2.4 线性调整率 6
2.2.5瞬态响应 6
2.2.6 效率 7
2.2.7 电源抑制比 7
2.3 本次设计的LDO主要指标 7
第三章 本次设计的基本模块与仿真 8
3.1基准电路模块 8
3.1.1带隙基准电路的原理 8
3.1.2 带隙基准电路的设计 9
3.1.3 优化设计 10
3.2误差放大器及调整管模块 10
3.2.1误差放大器的原理 10
3.2误差放大器的仿真 11
3.2.3 优化设计 12
第四章 LDO设计指标的仿真 14
4.1 LDO的压差电压 14
4.2 LDO的电源电压抑制比 14
4.3 LDO的线性调整率 15
4.4 LDO的负载调整率 15
4.5 LDO的静态电流 16
4.6 指标对比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
16
第五章 版图设计与测试结果 18
5.1 版图设计 18
5.2 流片测试结果 18
致 谢 21
第一章 绪 论
1.1 研究背景
随着微电子技术的飞速发展，电源管理家族对于降低便携式应用程序如PDA和电话的待机功率是非常必要的。作为通讯，在功率芯片上，LDO具有暂态响应快、电流输出能力强、线性度高、输出纹波小等优点，但部分LDO的应用受到限制。 由于输入范围较窄(通常为25V)，当电源电压大于5V时，大多数典型输入范围的LDO都会崩溃。宽输入电压可以扩大LDO的应用范围，不仅适用于电池供电系统，也适用于工业产品。因此，它被越来越广泛地应用于具有高低电压转换LDO模块的电源管理芯片中。此外，传统LDO的输出电流范围很小。 因此设计一种高性能、低纹波、宽输入电压范围、大输出负载电流的LDO是很有必要的。
LDO用来提供一个恒定的电压，它是属于一类的线性稳压器，具有改善电源效率的优点。LDO的主要优点有以下几个：低功耗，低噪声，线路简单。非常适用于RF电路，音频放大器等应用环境。此外，由于LDO易于集成在芯片上，因此更适合于片上电源管理系统。LDO在现代电子设备中有着广泛的应用。但LDO的缺点明显，效率不高，并且与输出输入电压差有很大的关系。
在现代，便携式电子设备基本都是使用锂电池来供电。但是锂电池的输出电压会逐渐降低，这会影响芯片的工作，使芯片效率低下，而且波纹很大。对于模拟电路和射频芯片来说，这种电源将对芯片的性能产生很大的影响。当锂电池用LDO供电时，输出电压非常稳定，纹波很小，非常适合大功率应用领域。这三种模式的输出电压与时间的关系如图1.1所示。
图 1.1 锂电池、开关式电源、LDO供电对比
开关式电源与LDO各有特点，分别应用于不同的场景。开关式电源应用于高电流输出、高效率转换的场合；而LDO则适用于低纹波、低功耗、低噪声的场合。开关式电源与 LDO 总体特征对比如表1.1所示。
表 1.1 LDO 与开关式电源各项特性对比
1.2 LDO研究现状与发展趋势
随着现代电子工业的飞速发展，对于噪声、功耗、纹波等性能方面，传统的LDO已经无法满足其需求。因此，高性能LDO研究在电源管理领域变得尤为重要。LDO的主要研究方向如下。
(1)低噪声
随着SOC芯片的集成度越来越高，模拟电路模块越来越接近数字电路模块。由数字电路开关动作引起的噪声无法避免耦合到地和电源的寄生电容。而电源的波动影响模拟电路的性能。对于RF DRAM和ADC电路模块，功率噪声对电路性能有很大影响，这就要求除了稳定的电压之外，芯片中的LDO还需要能够滤除这些噪声。
(2)低功耗
由于当今社会对环保问题的重视，电源管理领域低功耗的研究成为半导体产业最热门的话题，降低电子产品的功耗将推动整个电子产业的发展。降低功耗意味着延长电池的使用寿命和两次充电之间的时间间隔。而在数字电路中动态功耗占芯片功耗的主要部分；但是，对于模拟电路，由于电压冗余和驱动功率的限制，模拟电路的工作电压要高于数字电路的工作电压。因此，在混合模式芯片中，内置的LDO方法通常用于为其数字电路提供低压电源，并降低其数字电路的功耗。
(3)高瞬态响应速度
一般来说，RF电路的电源必须具有低噪声和快速响应能力。目前，为了节省能源，芯片通常关闭暂时不工作的电路模块。一旦需要操作，由相关模块驱动的LDO必须尽快准备就绪，LDO也必须具有非常高的电流摆幅。然而，由于LDO中环路增益带宽（GBW）和工作摆幅的限制，很难快速响应负载电流的瞬态变化。因此，当负载电流瞬间发生变化时，输出电压会有较大的尖峰和降低。因此，为了适应负载电流的快速变化，我们必须在这个快速瞬态响应LDO中设计相应的摆动增强模块。
1.3 本论文的主要工作
为了将本文的内容清楚的呈现，并使得各个部分的内容衔接得当，本文的结构将按如下的顺序组织：
第一章，“绪论”。主要介绍低纹波、低功耗的LDO的应用背景和研究现状。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 LDO研究现状与发展趋势 2
1.3 本论文的主要工作 3
第二章 LDO的基本结构原理与设计指标 4
2.1 LDO的基本结构 4
2.2 LDO设计指标 5
2.2.1 静态电流 5
2.2.2 压差 5
2.2.3 负载调整率 6
2.2.4 线性调整率 6
2.2.5瞬态响应 6
2.2.6 效率 7
2.2.7 电源抑制比 7
2.3 本次设计的LDO主要指标 7
第三章 本次设计的基本模块与仿真 8
3.1基准电路模块 8
3.1.1带隙基准电路的原理 8
3.1.2 带隙基准电路的设计 9
3.1.3 优化设计 10
3.2误差放大器及调整管模块 10
3.2.1误差放大器的原理 10
3.2误差放大器的仿真 11
3.2.3 优化设计 12
第四章 LDO设计指标的仿真 14
4.1 LDO的压差电压 14
4.2 LDO的电源电压抑制比 14
4.3 LDO的线性调整率 15
4.4 LDO的负载调整率 15
4.5 LDO的静态电流 16
4.6 指标对比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
16
第五章 版图设计与测试结果 18
5.1 版图设计 18
5.2 流片测试结果 18
致 谢 21
第一章 绪 论
1.1 研究背景
随着微电子技术的飞速发展，电源管理家族对于降低便携式应用程序如PDA和电话的待机功率是非常必要的。作为通讯，在功率芯片上，LDO具有暂态响应快、电流输出能力强、线性度高、输出纹波小等优点，但部分LDO的应用受到限制。 由于输入范围较窄(通常为25V)，当电源电压大于5V时，大多数典型输入范围的LDO都会崩溃。宽输入电压可以扩大LDO的应用范围，不仅适用于电池供电系统，也适用于工业产品。因此，它被越来越广泛地应用于具有高低电压转换LDO模块的电源管理芯片中。此外，传统LDO的输出电流范围很小。 因此设计一种高性能、低纹波、宽输入电压范围、大输出负载电流的LDO是很有必要的。
LDO用来提供一个恒定的电压，它是属于一类的线性稳压器，具有改善电源效率的优点。LDO的主要优点有以下几个：低功耗，低噪声，线路简单。非常适用于RF电路，音频放大器等应用环境。此外，由于LDO易于集成在芯片上，因此更适合于片上电源管理系统。LDO在现代电子设备中有着广泛的应用。但LDO的缺点明显，效率不高，并且与输出输入电压差有很大的关系。
在现代，便携式电子设备基本都是使用锂电池来供电。但是锂电池的输出电压会逐渐降低，这会影响芯片的工作，使芯片效率低下，而且波纹很大。对于模拟电路和射频芯片来说，这种电源将对芯片的性能产生很大的影响。当锂电池用LDO供电时，输出电压非常稳定，纹波很小，非常适合大功率应用领域。这三种模式的输出电压与时间的关系如图1.1所示。
图 1.1 锂电池、开关式电源、LDO供电对比
开关式电源与LDO各有特点，分别应用于不同的场景。开关式电源应用于高电流输出、高效率转换的场合；而LDO则适用于低纹波、低功耗、低噪声的场合。开关式电源与 LDO 总体特征对比如表1.1所示。
表 1.1 LDO 与开关式电源各项特性对比
1.2 LDO研究现状与发展趋势
随着现代电子工业的飞速发展，对于噪声、功耗、纹波等性能方面，传统的LDO已经无法满足其需求。因此，高性能LDO研究在电源管理领域变得尤为重要。LDO的主要研究方向如下。
(1)低噪声
随着SOC芯片的集成度越来越高，模拟电路模块越来越接近数字电路模块。由数字电路开关动作引起的噪声无法避免耦合到地和电源的寄生电容。而电源的波动影响模拟电路的性能。对于RF DRAM和ADC电路模块，功率噪声对电路性能有很大影响，这就要求除了稳定的电压之外，芯片中的LDO还需要能够滤除这些噪声。
(2)低功耗
由于当今社会对环保问题的重视，电源管理领域低功耗的研究成为半导体产业最热门的话题，降低电子产品的功耗将推动整个电子产业的发展。降低功耗意味着延长电池的使用寿命和两次充电之间的时间间隔。而在数字电路中动态功耗占芯片功耗的主要部分；但是，对于模拟电路，由于电压冗余和驱动功率的限制，模拟电路的工作电压要高于数字电路的工作电压。因此，在混合模式芯片中，内置的LDO方法通常用于为其数字电路提供低压电源，并降低其数字电路的功耗。
(3)高瞬态响应速度
一般来说，RF电路的电源必须具有低噪声和快速响应能力。目前，为了节省能源，芯片通常关闭暂时不工作的电路模块。一旦需要操作，由相关模块驱动的LDO必须尽快准备就绪，LDO也必须具有非常高的电流摆幅。然而，由于LDO中环路增益带宽（GBW）和工作摆幅的限制，很难快速响应负载电流的瞬态变化。因此，当负载电流瞬间发生变化时，输出电压会有较大的尖峰和降低。因此，为了适应负载电流的快速变化，我们必须在这个快速瞬态响应LDO中设计相应的摆动增强模块。
1.3 本论文的主要工作
为了将本文的内容清楚的呈现，并使得各个部分的内容衔接得当，本文的结构将按如下的顺序组织：
第一章，“绪论”。主要介绍低纹波、低功耗的LDO的应用背景和研究现状。
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