低压差线性稳压器的设计及其在通信电源管理芯片的应用

摘要

近年来，随着半导体行业的迅速发展，大规模集成电路的集成度越来越高，便携式电子产品的功能也越来越强大，以最常见的移动通信设备手机来说，已经集无线通信、MP3播放、视频播放、数码相机和PDA等功能于一体。但是功能的增加相应的带来了功耗方面的问题，因此如何使这些电子产品在现有的电池供电能力下有更长的使用时间，就成了电源管理产品开发的一个重要目标。
　　 在电源管理类芯片中，LDO作为一种常用的电源管理器件，具有较低的功耗和较高的转换效率，同时由于它的输出电压具有较高的精度和很低的噪声，所以更加适合于为模拟和射频模块供电。本文首先讨论了LDO线性稳压器的各个特性指标，然后讨论了LDO各个模块的设计，在这部分中给出了本文所提出的两种新颖的高阶补偿的电压基准，另外在这一部分中给出了只使用MOS管的电压基准，这种电压基准有着面积很小，功耗很低的优点。接着在本文的第四章中给出了传统的LDO的频率补偿的优缺点，同时提出了几种新颖的频率补偿方法，并对补偿方法的原理进行了分析。另外还在这一部分中提出了一种新颖的自偏置的LDO，这种LDO不需要再单独产生电压基准，而是利用输出电压直接产生偏置电压作为LDO的电压基准，所以这种LDO结构非常简单，且极大的节省了面积。作为电源管理类芯片中另外一个重要的组成部分，充电器也有着很重要的作用，所以在本文第六章中也对线性充电器的原理和设计方法进行了讨论。为了验证本文所提到的电路结构，本文在第七章给出了上面所提到的电路结构的测试结果，其中包括高阶补偿的电压基准、改进的零极点跟踪的频率补偿方法和零极点网络的频率补偿方法，另外也给出了线性充电器的测试结果。测试结果表明，利用本文所提出的频率补偿方法，我们能够很好的解决LDO频率稳定性的问题，且这几种类型的LDO的负载调整率、线性调整率以及瞬态反应等性能都比较好；本文所提出的高阶补偿的电压基准其温度系数在-40℃-85℃的温度范围内只有2.9ppm/℃;另外，本文所设计的线性充电器有预充电、恒流充电和恒压充电的功能，且有着很高的精度，其中恒流充电的精度为500mA±50mA，恒压充电的精度为4.2V±50mV。
　　 由于集成电路中的各个器件在制造的过程中存在着偏差，所以使用一般的仿真方法，即对各个器件采用SS、TT、FF的工艺角进行仿真的方法不能很好的反映芯片流片后的实际动作特性，而利用蒙特卡罗方法可以比较好的反应芯片流片之后的实际动作特性。本文首先对蒙特卡罗分析的方法的原理进行了分析，然后给出了其分析的方法，并利用蒙特卡罗分析的方法对不同结构的bandgap结构进行了仿真及分析，然后对分析的结果以及流片之后的结果进行了对比。通过对比的结果我们可以看出，利用Monte Carlo分析的方法能够比较准确的反映出芯片流片之后的特性，从而其能够指导电路设计尤其是对于提高和改善电路的性能有着非常重要的作用。另外通过Monte Carlo分析的结果表明，在进行电路设计的过程中，使用简单的电路结构以及适当的增大管子的W和L值都能改善电路的性能。