高精度、低噪声LDO线性调整器的设计.pdf
- 文档编号:14652719
- 上传时间:2023-06-25
- 格式:PDF
- 页数:56
- 大小:2.84MB
高精度、低噪声LDO线性调整器的设计.pdf
《高精度、低噪声LDO线性调整器的设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高精度、低噪声LDO线性调整器的设计.pdf(56页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
电子科技大学硕士学位论文高精度、低噪声LDO线性调整器的设计姓名:
林杰申请学位级别:
硕士专业:
电路与系统指导教师:
唐广20090501摘要摘要电源管理电路具有高集成度、高性价比、外围电路简单、最佳性能指标、能构成高效率电源等优点,具有广阔的市场前景。
本文针对对于电路精度要求较高的应用设计了高精度,低噪声的LDO线性稳压器。
基准源是限制LDO精度的重要模块,本文通过曲率补偿,大大提高了基准源的温度系数,达到05ppmC,从而降低了LDO输出电压的温漂;通过预电压调整器,基准源的电源电压抑制性能得到提高,从而能抑制电源上的噪声;较大的外接旁路电容很好地滤除了基准源的输出噪声。
本文采用O5微米的BiCMOS工艺,利用了其中的双极型器件闪烁噪声较MOS器件低的特点,使用双极型器件构成误差放大器的关键节点来减低误差放大器的噪声。
为了保证系统的稳定性以及减小系统的输出瞬时过冲,本文设计了输出缓冲级来隔离误差放大器的高阻抗输出节点与通路器件的栅极。
该输出缓冲级利用负反馈来降低其输出阻抗,通过动态偏置,其静态电流能随负载电流而变化,从而节约了系统功耗。
通过在非主极点附近引入零点进行频率补偿,本文所设计的LDO能稳定工作。
本文首先分析了电源管理IC的市场前景,介绍了LDO的性能指标。
接着本文对LDO进行了相关理论分析,并分析了LDO的噪声。
然后介绍了基准源的设计以及LDO其他模块的设计。
利用CadenceSpectre软件,本文对所设计的LDO各子模块以及LDO整个系统进行了相关仿真,仿真结果显示,本文的设计达到了预定的指标。
关键词:
低压降线性调整器,基准源,曲率补偿,精度,噪声ABSTRACTThepowermanagementIC(integratedcircui0hasthemanyadvantages,suchashighintegrity,hi班priceratio,themostsimpleoutercirclecircuit,thebestcapability,thehigh-efficiencypowersupplyetcSoithasthevastmarketdemandThispaperaimstotheapplicationthatrequireshighaccuracyandlownoiseUnderthiscontextahighaccuracyandlownoiseLDO(10wdropoutregulator)isdesignedIntheLDO,referenceisacriticalcircuitrythatitdeterminestheaccuracyUsingCurvature-Compensation,thetemperaturecoefficientisgreatlyimproved,fromabout20ppm:
CtoOSppmCApreregulatorhelptohigherthePSRR(powersupplyrejectionratio)anda500nFoffhipcapacitorbypassesmostofthereferenceSoutputreferrednoiseThispapertakesadvantageofthe05pmBiCMOS妒ocessthatthebipolartransistorhaslowerflickernoisethan伍e证MOScounterparts,SObipolartransistorisusedtoformthecriticalnodeoftheerroramplifierTomakesurethestabilityandlowerthetransientovershootoftheLDO,abufferstageisusedtoisolatethepasselementandtheoutputoftheerroramplifierTheoutputresistanceofthebufferisreducedbyanegativefeedbackAndthebufferisdynamicallybiasedtoreducequiescentcurrentoftheLDOTwoZerOSareintroducednearthenon-dominatepolesasthefrequencycompensationThispaperfirstshowstheprospectivemarketdemandofpowermanagementIC,thenitintroducethespecificationsoftheLDOInthenext,somerelativeanalyzeisperformedandnoiseanalyzeisperformedAfterthis,areferenceisdesignedandthentheotherpartsoftheLDOSimulationisperformedundertheCadenceSpectreenvironment,andtheresultsshowthatallspecificationsaleachievedKeywords:
LDO,reference,curvaturecompensation,accuracy,noiseII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名:
盘查日期:
27年么月岁日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)、签名:
茎筮量一导师签名:
啦日期:
27年月弓Et第一章绪论第一章绪论集成电路是现代信息产业和信息社会的基础,是改造和提升传统产业的核心技术。
随着网络化、全球信息化和知识经济浪潮的到来,集成电路产业的战略地位越来越重要,它已成为事关国防建设、国民经济、人民生活和信息安全的战略性、基础性产业。
世界集成电路产业的发展非常快速,到2010年全球半导体的年预期销售额可达到6000-8000亿美元,它将支持一个45万亿美元的电子装备市场。
目前世界集成电路生产的主流技术12英寸018微米,根据美国半导体协会(SIAL)预测,到2010年将能达到18英寸007005微米。
集成电路的技术脚步还将继续遵循摩尔定律,即每18个月芯片集成度提高一倍,但是成本降低为原来的50。
系统集成芯片(sot)技术;微电子机械(MEMs)技术;真空微电子技术;神经网络芯片和生物芯片;砷化嫁(GaAs)集成电路、基于量子效应的单电子器件和量子集成电路等,正在成为人们研究的热点,21世纪这些新技术将有可能成为新的技术发展领域1】。
未来5年,我国集成电路市场将进一步增长,预计年均增长速度约为20,到2010年,我国集成电路市场规模将突破8300亿元,采用O18微米及以下技术的产品将逐步成为市场主流,产品技术水平多代共存将是我国集成电路市场的特点。
信息技术的快速发展,新应用领域的出现如移动通信、数字音视频产品、智能家庭网络、下一代互联网、信息安全产品、3C融合产品、智能卡和电子标签、汽车电子等的需求将形成集成电路新的经济增长点。
11电源IC发展综述近年来,各厂家不断的推出大量新型电源IC以满足不同产品的需求。
例如据MAXMI公司2009年的数据手册,其中电源IC就有约300种型号(大部分是近几年的产品)。
同样,MICREL公司在2009年2月到11月也推出了22种新电源IC上市;ELANTEC公司以O15um技术投入电源Ic生产,其它各公司也纷纷推出电源Ic新产品、市场竞争相当激烈。
另外,与电源有关的元器件(如电感、电容等)也大有改进,使新代的电源功能更强、效率更高、尺寸更小、性能更好、更安全可靠。
电子科技大学硕士学位论文手机是大家熟悉的移动通信产品,它内部有较完善的电源管理系统,并且有较多的电源IC,就先从手机谈起。
手机中的电源管理部分由1)锂离子电池或镍氢电池组、2)升压式DCDC变换器或降压式DCDC变换器(需要用低噪声型)、3)低压差线性稳压器(LDO)、4)备用电池、5)辅助电源、6)砷化嫁功率放大器偏置电源、7)砷化嫁功率放大器(它不是电源部分,但要由专用的电源Ic来提供偏置电压);这里要说明的是手机中有多种多样的辅助电源,包括:
卡槽用电源、压控振荡器(vco)的电源、液晶显示器的偏置电源及背光电源(场致发光电源或LED发光电源)、呼叫器中的振动马达供电电源、功率放大器偏置电源、锂离子光电器电源。
电源Ic是为电子产品服务的,往往是按电子产品的要求进行研发及生产,所以不少电源Ic是为产品配套或专门生产的。
除了上述手机的例子外还有:
数字信号处理器(DSP)要求双电源供电,为此开发出供DSP用的双电源IC;计算机中的高率微处理器,如IMBBlueLightening、Pentium,等需要专用电源供电。
为此开发了专门供微处理器用的电源IC;其它如PCMICA卡电源、高压闪光灯电源、闪速存储器编程电源(12V)等都是专用的电源IC。
便携式电子产品以电池供电、减少功耗意味延长电池的寿命或两次充电之间的时间间隔。
新型电源IC在这方面有很大的改进。
现分别以低压差(LDO)线性稳压器、DCDC变换器及电荷泵这三类电源Ic介绍一下在这方面的成就。
LDO线性稳压器线性稳压器最大的损耗是压差大,而新型线性稳压器一直在为减小压差而奋斗,两年前低压差的水平是几百mA输出的LDO电源IC,可以做到100mA输出时,压差为100mV左右的水平(压差的大小与输出电流几乎成正比关系),2003年可做到6080mV100mA,但到2007年已能做到每100mA输出的压差为4050mY(典型值1的水平。
例如,MAXl735负压LDO线性稳压器在200mA输出时,其压差典型值仅为80mV。
在大电流输出的情况,压差与输出电流的比值可做得更小,而且压差与输出电流关系不大:
例如在l75A输出电流时,其典型的压差为200700mV。
例如,德州仪器公司的TPS75133Q在15A输出时,典型压差为160mV;TPS75233Q在2A输出时典型压差为210mV(2000年3月的产品)。
这与78系列在15A输出时压差为3000mV相比,真是有天壤之别了。
其次是减小静态电流及工作电流(它们都是流入地而不流经负载的电流),这也是一种损耗。
目前有超低静态电流的器件,其典型值为l衅几心,有些输出电第一章绪论流小的可做到l斗A以下,而较小的低功耗电源IC其工作电流为几十pA,超低功耗的为几个衅。
例如,MAXl725(输出20mA)其工作电流典型值仅2lxA。
DCDC变换器DCDC变换器是高效率器件,采用同步整流技术。
效率提高3、一5,其效率可达8897。
例如,LTC3402微功耗同步整流升压式变换器,其效率高达97。
过去认为DCDC变换器工作电流比线性稳压器大,但现在已做到同一水平了。
例如,MAXl605升压反转器,其工作电流仅18衅。
电荷泵电荷泵电路主要用于电压反转器,即输入正电压,输出为负电压。
它可以在便携式产品中省去一组电池。
由于工作频率采用2-3MHz,因此电容容量较小,可采用多层陶瓷电容(损耗小,ESR(等效串联电阻)低)、不仅提高效率及降低噪声,并且减小电源的空间。
近年来,利用电荷泵倍压的功能加了稳压电路组成正输出的稳压电源。
其效率高于LDO线性稳压器。
例如,MAXl730降压式电荷泵加稳压的器件,可输出18V或19V电压及50mA电流,其峰值效率可大于85。
LTCl503电荷泵加线性稳压器输出2V、100mA,其典型效率比LDO高25。
最后要说的是,这三种电源Ic都有关闭电源控制功能(或选通电源功能),无论是线性稳压器或者是DCDC变换器、电荷泵电路,其输出电压中都有一定的噪声(一种随机的高频成份),在DCDC变换器中也称为纹波电压。
有些模拟电路要求低噪声,所以近年来开发出一类低噪声电源IC。
线性LDO的输出噪声最低,般可以做到数十uVrms,最好的可以做到30-,209Vrms。
DCDC变换器及电荷泵的输出噪声则大得多。
一般低噪声产品是几十mVvrms,如60-,30mVrms的水平;而普通不是低噪声产品则可达上百mVrms的程度;近年来,输出电压一直在降低,如降到25v,18V,个别的有15V,则噪声与输出电压的比值显得高了。
在降低噪声上还需要作进一步的改进。
DCDC变换器及电荷泵电路中的噪声与外接的电容容量及其串联等效电阻(ESR)有关。
新型多层陶瓷电容的上市对降低噪声有较好的效果。
例如,TC3684电荷泵电路在输出电流Io=lmA,Cout=33uF(ESR=O1)时,其纹波电压Vripple=7mVp-p。
由于线性LDO的低噪声产品比DCDC变换器的低噪声产品的噪声要小一千倍左右,所以在某些模拟电路中,由于要求低噪声,虽然LDO效率低,但选中的就是它噪声低。
电子科技大学硕士学位论文总之,电源IC的发展满足了电子产品的需要,并且促进了电子产品更进一步发展。
12LD0简介VIN压控电流源图1-1LDO的基本拓扑模型图11中所示的是基本的LDO拓扑模型,其中,VIN为电源电压,控制回路中包括了误差放大器,压控电流源由通路器件实现。
基准源能提供稳定的直流偏置电压,但其电流驱动能力不足。
通常IC中的基准源由齐纳二极管或带隙电路来实现。
齐纳二极管基准源多用于电源电压较高(大于7v),对温漂要求不高的应用中【2】,3】。
另一种常用的实现基准源的电路为带隙基准电路,它能用于较低的电源电压,且相比于齐纳二极管的实现方式有更好的温度性能。
误差放大器、通路器件与反馈网络形成了LDO的控制环路,通过控制环路,LDO能根据外部负载的情况来调节其输出电流,从而使其输出处电压稳定。
LDO的温漂由基准源的温漂与运放的输入失调电压(inputoffsetvoltage)决定,因此,要降低LDO的温漂就需要采用低温漂的基准源结构与低失调的运放4】,5】。
LDO的输出噪声主要由三部分组成:
由电路衬底以及电源引入的噪声,由基准源产生及控制回路的噪声,以及由输出端的寄生电阻电感引入的噪声【6。
如果采用DCDC或其他形式的开关式电压变换器对LDO进行供电(如手机上采用的电源管理方案),其输出噪声将通过电路衬底或直接从LDO的输入端进入LDO中,从而影响LDO的噪声性能。
因此,在进行此类电路的版图设计的时候应注意采取隔离措施。
在设计电路的同时应提高电路的电源电压抑制比(PSRR)。
瞬态的输出电流同样会在LDO的输出端引入噪声,该噪声的大小主要由LDO输出端的寄生电阻,电感,LDO的输出电容,以及瞬态输出电流的大小有关。
因此要减小此类噪声,LDO应有较大的输出电容,较小的输出寄生电阻以及电感7】。
4第一章绪论13LD0的性能指标131关于系统LDO的性能指标能被归为3类8】:
稳压性能,静态电流,以及工作电压。
具体地,包括输出压降,线性调整率,负载调整率,温漂,输出过冲,输出电容ESR范围,最大输出电流,等等。
这些性能指标往往不能相互兼顾,因此,在设计时需要根据应用环境进行必要的折中。
输出压降指输入电压与输出电压之间的最小差值,当输入输出电压之差小于这一指标时,LDO将不再起到稳压的作用。
其表达式为:
一州=乙R硼(1一1)其中,L为输出电流,如为通路器件的导通电阻。
通常输出压降能达到01V到15V。
线性调整率为由输入电压变化引起的输出电压的变化,同理,负载调整率为由负载变化所引起的输出电压的变化,其表达式为=老=南m2,其中,为输出电压的变化量,虬哪为负载电流的变化量,厶为控制环路的环路增益,为控制环路的反馈系数。
从式(12)可以看出,要提高系统的负载调整率,应提高控制环路的环路增益,同时降低通路器件的导通电阻。
输出电压的温漂由基准源与误差放大器的输入失调电压的温漂组成:
TC:
上一OVo,上一AVo,“:
AV耐+AV鱼(1-3)圪口ajrT圪。
丁吃。
丁多石其中,TC为系统的温度系数,r为LDO的工作温度范围,与吃分别为基准源与误差放大器输入失调电压在工作温度范围内的变化量,导为输出电yr呼压与基准源输出电压的比值。
从(13)可以看出,降低基准源的温度系数对于降低系统的温漂有重要作用。
关于降低基准源的温度系数将在后文介绍。
LDO的输出过冲是由于瞬态的负载电流引起的,它的大小主要由系统的环路带宽,负载瞬态电流的大小,输出电容的大小,输出电容的ESR值来决定。
最大的输出过冲发生在当负载电流突然由零增加到最大负载电流时。
此时输出过冲可电子科技大学硕士学位论文以表示为:
,圪警f+K嫩(1-4)L喇其中,址为系统的延时,AV,为过冲电压的大小,为电容ESR上的电压变化量。
=一峨R腺(15)从式(1-4)与(15)中可以看出要降低系统的输出过冲,应使LDO有较大的输出电容同时该电容应有较低的ESR。
同时应减低系统的延时,这就要求就增大系统的环路带宽(不考虑非线性的运放翻转速率)。
由于系统精度要求,输出过冲不应过大【9】,应保持在150300mV。
由以上分析可知,在设计误差放大器时尽量加大其带宽来减小系统输出过冲。
而输出电容及其ESR值是设计LDO的一个关键指标,不仅因为它涉及到LDO的稳定问题,也涉及到了系统的输出过冲的大小以及LDO的最大输出电流的大小。
线性调整率,负载调整率,温漂,输出过冲的影响能综合起来形成一个总体的性能指标:
LDO的精度。
LDO的精度表示输出电压总的变化,能用系统的最大输出电压与最小输出电压表示:
圪哪一。
jnsy0+y赢+圪伽+圪+巧可圪耐一m飘(16)其中为输出电压的典型值,为由线性调整率引起的输出电压变化,圪锨为由负载调整率所引起的输出电压变化,AV为输出电压过冲,为基准源输出电压低变化量,可以表示为:
可=杉可+y之阿+Vo(17)在(1-7)中,为基准源输出电压的典型值,巧w为由温度变化引起的基准源输出电压的变化,为由基准源线性调整率引起的基准源输出电压变化,圪。
为误差放大器输入失调电压随温度的变化。
通常LDO的系统精度在不考虑温漂和过冲的情况下能达到1到2之I间10】132关于基准源基准源的性能指标包括其线性调整率,温度系数,静态电流和输入输出电压范围。
其中线性调整率和温度系数对系统精度的影响己在式(16),(1-7)qb介绍。
6第一章绪论与LDO相同,基准源的线性调整率指由输入电压变化所引起的输出电压的变化。
而基准源的温度系数为由温度变化所引起的输出电压的变化,可以表示为:
=瓦1竖OT瓦1等(1-8)其中,为基准源输出电压的典型值,z为基准源的工作温度范围。
由于基准源不具有电流驱动能力,所以其性能指标中不包括负载调整率。
14本文要达到的指标本文所做的工作是为了提高LDO的精度以适应当今电路对精度越来越高的要求。
以下是本文设计的LDO的性能指标:
表11本文设计要达到的指标输
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高精度 噪声 LDO 线性 调整器 设计