一种Low Drop-Out Regulator的设计

论文摘要

从目前消费类电子产品发展的趋势来看,对于手机,PDA等便携设备的静态功耗的减小,电源管理变的越来越必要。电压调节器作为广泛使用的电压转换器之一在电源管理中的到了重要的应用,它的低噪声,高精度而又几乎不需要片外元件的特性使得电压调节器的应用非常广泛。随着电压调节器应用的更加的广泛和芯片工艺的进步,对电压调节器提出了更高的要求:在静态工作中要求更低的电源电压,更低的稳态电流,更高的输出电压精度和在电压调节器输入和输出电压之间有更小的电压降于是出现了lowdrop-out regulator（LDO）,。为了满足不同的应用要求,需要不断提出新结构的LDO。本文提出了一种新的适合驱动大电容负载的LDO。首先利用放大器频率补偿的理论对LDO进行了分析,分析了几种常见的LDO结构,并找出了这几种LDO不适合驱动大电容负载的原因。然后利用新的放大器频率补偿结构（阻尼因子控制补偿）提出了一种可以驱动大电容负载且带转换补偿电路的一种LDO。为了解决LDO中的零点和极点的矛盾还采用了一种零点电流的产生电路,这种电路有效的提高了电路的性能,为了提高电路的电源抑制比在电路设计中还采用了共源共栅结构。最后还设计了一种高精度的基准源并提出了电路的偏置电路。文中设计的LDO的仿真结果显示新结构的LDO具有低的电源和负载调整率,在驱动1uF的大负载电容时在最坏的情况下可以达到108dB的环路低频增益和9.8KHz的单位增益带宽,在采用转换补偿电路后,LDO的输出电压变化范围减小到15mV以内,最坏情况下恢复时间只要0.6us,低频PSR是-60dB。设计的带隙基准源在-40-85℃温度范围内温度系数为4.18ppm/℃,在3.0—3.6V电压波动范围内电源电压调整率为85ppm/V。最后采用TSMC 0.25um,双层多晶硅、四层金属,混合信号的CMOS工艺完成了对所开发电路单元的版图设计并通过了DRC和LVS验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电压调节器的发展和遇到的挑战
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 本文的选题意义
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 传统LDO的结构和性能分析
• 2.1 传统LDO的结构
• 2.1.1 传统LDO的结构
• 2.1.2 传统LDO的环路稳定性分析
• 2.2 LDO的性能分析
• 2.2.1 LDO的静态特性分析
• 2.2.2 LDO的动态特性分析
• 第三章 提高LDO性能的途径及其分析
• 3.1 对采用多级放大器的LDO的带宽和增益关系分析
• 3.1.1 采用嵌套式米勒频率补偿方式LDO的分析
• 3.1.2 采用多路径嵌套式米勒频率补偿方式LDO的分析
• 3.2 对阻尼因子控制频率补偿方式的分析
• 第四章 带阻尼因子控制频率补偿和转换补偿的LDO设计
• 4.1 阻尼因子控制频率补偿LDO的设计和分析
• 4.1.1 产生零点电流的必要性
• 4.1.2 采用阻尼因子控制频率补偿方式LDO的稳定性分析
• 4.1.3 产生零点电流模块的分析和设计
• 4.2 转换补偿电路的分析和设计
• 4.2.1 电路发生转换的原因
• 4.2.2 转换补偿电路的设计
• 第五章 带隙基准电压源的分析与设计
• 5.1 带隙基准电压的原理
• 5.1.1 VBE的负温度系数特性
• 5.1.2 △VBE的正温度系数特性
• 5.1.3 带隙基准电压的产生
• 5.2 带隙基准电压源的设计
• 5.3 基准电压源电路仿真与结果分析
• 第六章 带转换补偿和阻尼因子控制频率补偿LDO的电路仿真结果
• 6.1 带转换补偿和阻尼因子控制频率补偿LDO的开环幅频特性分析
• 6.2 带转换补偿和阻尼因子控制频率补偿LDO的转换补偿电路阶跃响应仿真
• 6.3 带转换补偿和阻尼因子控制频率补偿LDO的电源和负载调整特性仿真
• 6.4 带转换补偿和阻尼因子控制频率补偿LDO的电源抑制仿真
• 第七章 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果