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一种应用于LDO新型误差放大器的研究与设计

作　者: 龚俊平
导　师: 冯全源
学　校: 西南交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 低压差线性稳压器 误差放大器 单密勒电容 频率补偿
分类号: TN722
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着工艺水平的不断进步,便携式电子的应用领域不断深入,使得低压差线性稳压器(LDO)的性能要求更加严格。LDO的未来发展趋势是：低成本,低噪声、低功耗,高效率,高集成度,适用范围更广。国内IC行业起步晚,LDO的发展也落后于先进国际水平,主流电源芯片市场份额基本都被外国公司占据。因此,掌握基本电源技术知识,学习国际先进水平,设计实用的新型结构,对今后的发展具有重大战略性意义。本文针对LDO的发展要求,主要研究LDO的核心——误差放大器。结合国内外现有三级放大器补偿结构的优点,设计了一种新型的补偿方式——单密勒电容前馈频率补偿(SMFFC),并用Cadence完成电路构造和版图设计。此放大器的设计采用了TSMC 3.3V 0.18μm CMOS工艺,在2V电源电压,负载电容120PF的情况下,主要用HSPICE进行仿真。后仿真达到指标为：放大器的增益带宽积为28MHz,直流增益125dB,相位裕度大于66.7°,补偿电容仅为1PF,功耗仅为0.485mW。接着将其应用于LDO中,得到较宽的输入电压范围和电流负载调整范围,并得到了良好的瞬态响应速度,输出电压一直稳定在1.8V附近。分析与设计的具体内容有：首先分析了LDO的基本组成、工作原理,以及误差放大器在LDO中的作用；然后,从理论上研究和分析误差放大器设计所需要知识,包括：匹配研究,放大器模块研究,现有的三级放大器补偿结构研究,以及前期所做的补偿结构相关设计；接着,提出了一种新型的SMFFC结构,分析其小信号传输函数,确定零极点位置,实现了左半平面零点在频率补偿中的作用；最后,用Cadence构建对应于SMFFC补偿结构的电路,并进行版图设计,用HSPICE完成前仿真和后仿真,并对结果进行了相应的分析。从统计的仿真数据可以看出,此误差放大器达到了预期的补偿目的,完成了设计指标的要求。文章结尾对本设计进行了小结,指出了设计中所存在的一些不足之处,并结合当前设计和未来发展提出了进一步的想法。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
  1.3 本论文的主要工作  15-17
第二章 低压差线性稳压器简介  17-23
  2.1 LDO基本组成模块  17-19
  2.2 LDO工作过程  19-20
  2.3 LDO性能指标定义  20-22
  2.4 误差放大器对LDO的影响  22-23
第三章 放大器基础理论研究及设计前期相关工作  23-46
  3.1 匹配研究  23-29
    3.1.1 MOS管失配的基本原理和模型  23-26
    3.1.2 MOS失配实验与参数提取  26-28
    3.1.3 失配模型应用于匹配对  28-29
  3.2 基本电路单元研究  29-35
    3.2.1 电流镜单元  29-31
    3.2.2 放大器单元模块  31-35
  3.3 补偿拓扑结构研究与设计  35-46
    3.3.1 频率补偿基础研究  35-36
    3.3.2 三级误差放大器多电容补偿  36-40
    3.3.3 三级误差放大器单电容补偿  40-46
第四章 误差放大器的设计与仿真  46-77
  4.1 设计方案  46-47
  4.2 补偿拓扑结构的设计  47-53
    4.2.1 SMFFC结构的提出  47-48
    4.2.2 SMFFC结构的分析  48-53
  4.3 电路结构的设计  53-56
  4.4 电路前仿真验证  56-64
    4.4.1 误差放大器的仿真  56-59
    4.4.2 LDO的仿真  59-64
  4.5 另外一种SMFFC结构的仿真比较  64-67
    4.5.1 该文献相关仿真  64-66
    4.5.2 两种结构相关仿真比较  66-67
  4.6 版图设计与验证  67-70
    4.6.1 版图基础  67-69
    4.6.2 误差放大器版图设计  69-70
  4.7 版图后仿真  70-76
    4.7.1 误差放大器的仿真  70-72
    4.7.2 LDO的仿真  72-76
  4.8 本章小结  76-77
结论与展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83-84

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 放大技术、放大器 > 放大器
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