一种低功耗无片外电容型线性稳压器设计

摘要

低压差线性稳压器（LowDrop-Out voltage regulator，LDO）具有结构简单、噪声小、封装尺寸小等特点，可以为负载提供一个精确的、稳定的工作电压，在便携式电子产品中得到广泛的应用。由于便携式电子产品是利用电池供电，为了降低能量的消耗，延长电池的工作时间，低功耗成为其主要发展方向。另一方面，由于无片外电容LDO不需要特定的外接电容，也不需要额外增加引脚，减小了芯片面积和成本，利于电子产品小型化，成为近年来研究的热点。 本论文主要关注的是低功耗无片外电容LDO的研究与设计，首先对实现低功耗无片外电容LDO的几个关键问题进行了仔细分析，主要针对低功耗LDO如何提高负载能力、增强摆率、实现全负载稳定性以及无片外电容LDO如何进行频率补偿、改善瞬态响应性能等做出研究。并对带隙基准电路的设计、源输出缓冲级电路的改进、频率补偿结合瞬态增强的分析以及过流限制、过温保护电路的实现四个方面进行了深入的理论分析和讨论。 利用上述的理论研究结果，本论文设计了一款带有缓冲级的低功耗无片外电容线性稳压电路，采用UMC0.11μm工艺，工作电压为2.5V-3.6V，工作温度为-40℃-120℃，输出电压为1.5V，可用作数字电路模块的供电。电路主要模块除了误差放大器、缓冲级、功率管、反馈网络构成的主回路，还有偏置电路、带隙基准电路和过温保护、过流保护等辅助电路。误差放大器采用Class AB输出运放，缓冲级为动态电流偏置负反馈型源极输出结构，并加入频率补偿和瞬态增强器件。最终设计的LDO最大负载能力为100mA，静态电流为16.5μA，环路增益92dB，最坏条件相位裕度大于60度，增益裕度为25dB，线性调整率为0.78mV/V，负载调整率为0.007mV/mA，负载瞬态响应时间约为2μs，瞬态输出纹波约为100mV，所需的输出电容范围在300pF至500pF之间，可以在片内实现。最大输出电流被限制在230mA，当温度高于125℃时，过温保护电路启动。

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第一章 绪论

1.1 市场需求

1.2 项目介绍

1.3 研究现状

1.4 工作内容

第二章 线性稳压器的基础知识

2.1 线性稳压器的基本结构

2.2 线性稳压器的性能指标

2.3 线性稳压器的定性分析

2.3.1 小信号分析

2.3.2 频率补偿技术

2.3.3 瞬态响应分析

2.3.4 瞬态增强技术

2.4 本章小结

第三章 带缓冲级的线性稳压器电路设计

3.1 整体框图

3.2 偏置电路设计

3.3 带隙基准电压电路设计

3.3.1 温度补偿原理

3.3.2 电路结构设计

3.4 功率管设计

3.5 电阻反馈网络设计

3.6 误差放大器选择

3.7 缓冲器设计

3.8 频率补偿与瞬态增强

3.9 保护电路设计

3.9.1 过流保护

3.9.2 过温保护

3.10 本章小结

第四章 线性稳压器整体电路仿真

4.1 整体电路与仿真环境

4.2 仿真验证

4.2.1 静态电流

4.2.2 地电流与效率

4.2.3 压差电压

4.2.4 线性调整率

4.2.5 负载调整率

4.2.6 电源抑制比

4.2.7 输出噪声

4.2.8 环路稳定性

4.2.9 瞬态响应

4.3 结果分析与比较

4.4 本章小结

第五章 版图设计

5.1 版图设计考虑

5.2 具体模块设计

5.3 本章小结与说明

第六章 全文总结

参考文献

致谢

作者简介

基本情况

教育背景

实习期间与论文相关的主要工作内容