LDO稳压器高精度电压基准源的分析与设计
一种高电源抑制比输出电压可调的低压差线性稳压器设计
一种高电源抑制比输出电压可调的低压差线性稳压器设计随着科技的不断发展,便携式产品在我们的日常生活中起着越来越重要的作用,作为核心的电源管理芯片也迎来了极大的挑战。
根据应用需求和转换过程的不同,电源管理芯片可以划分四类,即交流到交流(AC-AC)、直流到交流(DC-AC)、交流到直流(AC-DC)和直流到直流(DC-DC)。
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)作为DC-DC器件中的佼佼者更是从中脱颖而出。
LDO稳压器以其高精度、高稳定性和外围电路简单等优点,广泛的应用到各种电子产品中。
但是由于自身结构的局限性,LDO只能够实现降压的功能,目前正朝着低功耗、高集成度、高电源抑制比、快速响应、高稳定性的趋势发展。
本文设计了一款高电源抑制比输出电压可调的低压差线性稳压器。
通过提高整个LDO的电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio,PSRR)来降低功耗,提高系统精度,通过对输出电压的可调控制可以增大芯片的应用范围。
具体研究思路:为提高PSRR,对其中关键模块——带隙基准电压源和误差放大器进行了创新设计及优化。
带隙基准电压源采用共源共栅来提高PSRR,采用电流抽取电路结构,在高温阶段抽取与温度正相关电流,低温阶段抽取与温度负相关的电流,使得电压基准源在整个工作温度范围内有多个极值点,降低温漂系数,为系统提供高精度基准电压。
误差放大器采用两级输出加一级缓冲的多级运放结构,其中两级输出保证运放的高增益,缓冲级采用甲乙类推挽式缓冲结构来保证调整管栅极快速充放电,实现快速响应;增加米勒补偿电路来增强系统的稳定性;为电源VDD设计两条信号通路,通过控制通路输出电阻的大小,达到提高PSRR的目的。
为实现输出电压可调、达到扩大输出电压范围的目的,在相应的输出电阻端接入MOS开关管,通过控制各个开关管的栅极电压来控制其关断情况,实现总输出电阻值的调节,进而达到输出电压可调的目的。
基于LDO电压调整器的带隙基准电压源设计
基于LDO电压调整器的带隙基准电压源设计张颖斐;姜生瑞;郭丽芳【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2012(000)007【摘要】设计一款应用于电压调整器（LDO）的带隙基准电压源。
电压基准是模拟电路设计必不可缺少的一个单元模块,带隙基准电压源为LDO提供一个精确的参考电压,是LDO系统设计关键模块之一。
本文设计的带隙基准电压源采用0.5μm标准的CMOS工艺实现。
为了提高电压抑制性,采用了低压共源共栅的电流镜结构,并且在基准内部设计了一个运算放大器,合理的运放设计进一步提高了电源抑制性。
基于Cadence的Spectre进行前仿真验证,结果表明该带隙基准电压源具有较低的变化率、较小的温漂系数和较高的电源抑制比,其对抗电源变化和温度变化特性较好。
%Design of an applied voltage regnlator （ LDO ） to the bandgap reference voltage source. Voltage reference is indispensable to a unit module to analog circuit design, Bandgap reference voltage source to provide a precise reference voltage for the LDO, It Is one of the key modules of the LDO system design. In this paper, the design of bandgap voltage reference with 0.5 pL m standard CMOS technology. In order to improve the voltage suppressor, adopts a low-voltage cascode current mirror structure, and in the base internal design of an operational amplifier, a reasonable operational amplifier design further improve power s suppressor. Based on the Cadence Spectre simulation validation, The results show that the band gap reference voltage source has a low rate ofchange, small temperature drift coefficient and high power supply, its combat power change and temperature change characteristics of good.【总页数】6页(P60-64,75)【作者】张颖斐;姜生瑞;郭丽芳【作者单位】兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TN432【相关文献】1.一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计 [J], 金梓才;戴庆元;黄文理2.基于LDO稳压器的带隙基准电压源的设计 [J], 张慧敏;崔新;杨硕3.一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计 [J], 张博亮4.基于数字修调技术带隙基准电压源的设计 [J], 付英;刘斌5.基于硅带隙能量的1.2V基准电压源设计 [J], 冯超;汪金辉;万培元;侯立刚;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
双极型LDO线性稳压器的设计
管构成。二者的共同点都是基准运放，调整管闭环 结构。由 MOS 管构成的 LDO 有如下缺点：
①低漏失电压 Vdropout 取决于内部的 MOSFET 的 导通电阻，其值会随着输出电流的增大而增大，导 致 Vdropout 变化量太大，无法满足使用要求；
②输出噪声大，在一些噪声敏感的电路和一些 传感器激励电路中不适合选用；
November 2011
图 7 误差放大器及过流过温保护电路 Fig. 7 Error amplifier andover-current and temperature pro-
tection circuit
Semiconductor Technology Vol. 36 No. 11 873
卢艳 等： 双极型 LDO 线性稳压器的设计
Vref
=
VBE6
+
R6 R8
VT
ln
IC8 IC7
（ 5）
由于双极晶体管引起的失配比电阻引起的大，
872 半导体技术第 36 卷第 11 期
2011 年 11 月
卢艳 等： 双极型 LDO 线性稳压器的设计
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
得电路达到稳定，输出电压稳定在一个特定的值
上，即
Vout
=
Vref
×
（
R1
+ R2
R2 ）
（ 1）
式中： Vout 为输出电压； Vref 为基准电压。
1. 1 带启动电路的恒流源
考虑到 VEN 使能端对输出电压稳定性的影响，
恒流源采用以双极工艺中 VBE 为基准的电流源。为 了避免零电流的状态，在恒流源的设计中加入了启
LDO芯片设计报告及电路分析报告
目录目录第一部分应用 (1)LDO的分析与设计 (1)LDO芯片的特点 (1)LDO芯片的详细性能参数 (1)第二部分电路设计报告 (5)整体电路上电启动模块 (5)电流偏置模块 (7)带有修调功能的基准模块 (11)带隙基准源的修调电路设计 (21)预调整放大器模块 (23)低通滤波器模块 (27)保护电路模块 (31)电压跟随器模块 (39)第三部分总体电路的仿真 (43)直流参数 (44)线性调整率 (45)负载调整率 (46)静态电流 (46)瞬态仿真 (47)噪声仿真 (48)交流特性仿真 (49)PSRR特性仿真 (52)第四部分LDO芯片版图设计 (56)电子科技大学VLSI设计中心第一部分应用LDO的分析与设计本论文完成了一种应用于集成于射频芯片的LDO的分析与设计。
本文主要从稳定性、负载瞬态响应、电源抑制比和噪声四个方面进行了分析。
然后，采用SMIC 0.18μm CMOS工艺完成了包括功率调整管、电阻反馈网络和误差放大器三个部分的电路设计，并用Cadence Spectre对设计的整体电路进行了仿真和优化，最终实现电路的设计要求，而且可以在片内集成。
可在0.1mA～300mA的负载电流范围内稳定工作，电路正常工作时温度范围：-55℃~+125℃，该电路工作电压范围为2.1～3.6V，输出电压1.8V，输出电压在全范围的波动：≤4mV，输出电压准精度：≤10mV，最小压差在300mV以下，静态电流≤60uA；在10Hz～100KHz 范围内的内部输出噪声积分约为，≤20μVRMS@20mA、≤50μVRMS@80mA、≤100μVRMS @300mA；电源抑制比（PSRR，在10KHZ以下）：≥60dB@20mA、≥60dB@80mA、≥60dB@300mA；线性调整率：≤0.1%；负载调整率：≤1%；启动时间：≤100us；电压瞬态响应：≤30us；负载瞬态响应：≤50us；输出启动电压过冲：≤100mV；集成输入欠压过压保护、输出断路保护。
一种低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计
一种低功耗宽频带LDO线性稳压电路设计
1 引言
随着集成电路规模的发展，电子设备的体积、重量和功耗越来越小，这对电源电路的集成化、小型化及电源管理性能提出了越来越高的要求。
而随着片上系统（SOC）的不断发展，单片集成的LDO 线性稳压器的应用也越来越广泛[1]。
对于片内的LDO，最担心的是寄生电容过大引起不稳定，论文针对片内应用而设计的这款LDO，能保证在uF 级别的寄生电容范围内都可以正常工作，毕竟寄生电容再大也不至于是μF级别的。
功耗是LDO 线性稳压器的重要指标之一，一般的LDO 功耗都在几十μA以上，例如文献[2]中电路的静态电流为38μA，文献[3]中静态功耗高达65μA，而本文的静态功耗做到10μA左右，不仅功耗低，本文中第二级靠电阻的电流关系提供了一个小增益级，并且提高了整个LDO的带宽。
2 LDO 电路组成原理与关键模块设计
2.1 电路基本工作原理
图1 是LDO 线性稳压器的结构框图，由下面几个部分组成：基准电压源（Vref）、误差放大器、同相放大器、反馈电阻网络、调整管等。
其中基准电压源输出参考电压Vref, 要求它精度高，温漂小。
误差放大器将输出反馈回来的电压与基准电压Vref 进行比较，并放大其差值，其经过同相放大。
LDO电源设计原理与应用
4
Introduction of LDO
为解决压差过大（功耗过大）而不适合用在低电压转换的 问题，出现了LDO（Low Dropout Linear Regulator ）. 低压差线性稳压器也存在压差，具有线性电源的优点和缺 点。其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例 如，如果一个LDO输入电源是3.6V，在电流为200mA时 输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%。虽然就较大的输 入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差 较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V， 效率就变成了80%。 在LDO中，产生压差的主要原因是在调整元件中有一个P 沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等效为一个电 阻，Rds(on), Vdropout = Vin - Vout = Rds(on) x Iout (式A)
9
Main Parameters of LDO
6．线性调整率(Line Regulation) 线性调整率可以通过下图和式D 来定义，LDO 的线性调 整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO 的 性能越好。
式D 式中 △Vline—LDO 线性调整率 Vo—LDO 名义输出电压 Vmax—LDO 最大输入电压 △V—LDO 输入Vo 到Vmax‘ 输出电压最大值和最小值之差
15
Keypoint in Application -Capacitors
2、 输出电容 电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及ESR对 电路频率响应的影响是最主要的。由于隧道深度的存在，输出电容以 及ESR选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。因此电容的选择建 议参考器件手册的隧道深度图。 在选择电容的时候还需要考虑温度对容值以及ESR的影响，应该保证 在整个温度范围内电路都是稳定的。（主要是铝电容的ESR受温度影 响比较大，所以建议在温度变化较大的应用场合下最好不要选择铝电 容作为输出电容） 在使用可调LDO调整器时，有时候我们为达到较好的输出纹波抑制 性能，调整器需要对地增加滤波电容，但是必须注意的是：电路的输 出增加了这个电容，又会增加一个闭环极点（f＝1/2×pi×（R1//R2） ×C C为补偿电容），电路的输出电容必须相应的增加，才能保证电 路的稳定。 另外一个容易忽视的问题：LDO带有多个负载的时候，每个负载电 路的输入电容都是调整器的输出电容。
ldo的参考电压
ldo的参考电压摘要：1.LDO简介2.LDO的工作原理3.LDO的参考电压的作用4.选择LDO参考电压的注意事项5.LDO应用场景及优势6.总结正文：LDO（Low Dropout）线性稳压器是一种电源管理器件，广泛应用于各种电子设备中。
它具有输出电压精度高、输出电流大、静态电流小、噪声低等优点，能够在较宽的输入电压范围内稳定工作。
本文将详细介绍LDO的参考电压、工作原理、应用场景及选择参考电压的注意事项。
一、LDO简介LDO线性稳压器是一种采用晶体管或其他器件作为调整元件的线性稳压器。
与传统的线性稳压器相比，LDO在输出电流较大时，具有更低的输出电压降。
这使得LDO在许多低电压、高精度应用中具有优越性能。
二、LDO的工作原理LDO的工作原理是通过调整晶体管的导通程度来实现输出电压的稳定。
当输入电压变化时，晶体管的导通程度也会相应改变，从而使得输出电压保持恒定。
在这个过程中，参考电压起到了关键作用。
三、LDO的参考电压的作用参考电压是LDO正常工作的基准，它决定了LDO输出电压的精度。
在LDO内部，参考电压与晶体管的导通程度密切相关。
当参考电压发生变化时，晶体管的导通程度也会相应改变，进而影响输出电压的稳定性。
四、选择LDO参考电压的注意事项1.精度要求：根据不同应用场景，选择合适精度的参考电压。
一般来说，精度越高，价格越贵。
2.工作电压范围：选择与设备输入电压相匹配的参考电压，以确保LDO正常工作。
3.输出电流：根据设备需求选择合适的输出电流，过大可能导致LDO过热，过小可能无法满足设备需求。
4.稳定性：选择稳定性好的参考电压，可以提高LDO的工作可靠性。
五、LDO应用场景及优势1.低电压应用：LDO在低电压环境下具有优越性能，可以提供稳定的输出电压。
2.高精度应用：由于LDO输出电压精度高，因此在需要高精度电压控制的场合，LDO是理想的选择。
3.电源管理：LDO可广泛应用于各种电源管理场景，如电池充电、电源转换等。
LDO稳压器工作原理详细分析
LDO稳压器工作原理详细分析随着便携式设备（电池供电）在过去十年间的快速增长，象原来的业界标准LM340和LM317这样的稳压器件已经无法满足新的需要。
这些稳压器使用NPN达林顿管，在本文中称其为NPN稳压器（NPN regulators）。
预期更高性能的稳压器件已经由新型的低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO稳压器（quasi-LDO）实现了。
NPN稳压器（NPN regulators）在NPN稳压器（图1：NPN稳压器内部结构框图）的内部使用一个PNP管来驱动NPN达林顿管（NPN Darlington pass transistor），输入输出之间存在至少1.5V～2.5V的压差（dropout voltage）。
这个压差为：Vdrop＝2Vbe＋Vsat（NPN稳压器）（1）LDO稳压器（LDO regulators）在LDO(Low Dropout)稳压器（图2：LDO稳压器内部结构框图）中，导通管是一个PNP管。
LDO的最大优势就是PNP管只会带来很小的导通压降，满载（Full-load）的跌落电压的典型值小于500mV，轻载（Light loads）时的压降仅有10～20mV。
LDO的压差为：Vdrop＝Vsat（LDO稳压器）（2）准LDO稳压器（Quasi-LDO regulators）准LDO（Quasi-LDO）稳压器（图3：准LDO稳压器内部结构框图）已经广泛应用于某些场合，例如：5V到3.3V转换器。
准LDO介于NPN稳压器和LDO稳压器之间而得名，导通管是由单个PNP管来驱动单个NPN管。
因此，它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间：Vdrop＝Vbe＋Vsat（3）稳压器的工作原理（Regulator Operation）所有的稳压器，都利用了相同的技术实现输出电压的稳定（图4：稳压器工作原理图）。
输出电压通过连接到误差放大器（Error Amplifier）反相输入端（Inverting Input）的分压电阻（Resistive Divider）采样（Sampled），误差放大器的同相输入端（Non-inverting Input）连接到一个参考电压Vref。
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LDO稳压器高精度电压基准源的分析
与设计
、
随着集成电路规模的发展，电子设备的体积、重量和功
耗越来越小，这对电源电路的集成化、小型化及电源管理
性能提出了越来越高的要求。电源IC产品主要包括线性稳
压器、开关式稳压器(DC/DC)、电池充电/管理IC、
PWM/PFM控制器、AC/DC稳压器及功率因数校正(PFC)
预稳压器等。而目前在所有这些电源IC中，线性稳压器IC
的销售额最大，LDO线性稳压器又是增长最多和最快的产
品，它的快速崛起源自于便携式产品的不断涌现，如便携
式电话、PDA(个人数字助理)、掌上型/膝上型电脑、数码
相机等。
LDO线性稳压器综述
LDO(LowDropout)线性稳压器，也称低压差线性稳压器或
低漏失线性稳压器。
LDO线性稳压器与开关式稳压器的比较
LDO线性稳压器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换
效率，而比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和
更低的噪声特性，因此它在便携式电子产品中越来越受欢
迎。LDO线性稳压器和开关式稳压器作为当今便携式电子
产品中最常用的两类电源管理电路，它们的特点比较如表
1所示。
从表中可看出，LDO线性稳压器和开关式稳压器各有优缺点，
在应用时需权衡考虑各种特点。
LDO线性稳压器应用效率
在便携式电子设备中，电源效率越高意味着电池使用时间越长，
这是用户渴望的事情。
因此，输入输出压差越低、静态电流(输入电流和输出电流之差)
越低线性稳压器的工作效率就越高。在实际应用中，我们分析效
率时还必须清楚:电池不是理想电源，它具有输出电阻，供电时，
它的电压是逐渐下降的。电池的这种特性是非常有利于LDO线
性稳压器工作效率的。LDO线性稳压器工作效率随着电池电压
的下降而逐渐升高。另外，在小负载电流时，稳压器的效率将受
静态电流的限制，比如输出电流等于输入电流的一半，则稳压器
的效率将减少一半，因此当设备处于“待机”状态时，静态电流决
定了电池的使用寿命。因此设计低压差、低静态电流的线性稳压
器已成为便携式设备电源管理课题的一大技术解决方案。
双极型超LDO线性稳压器的设计要求
本设计完成的是一款小功率超LDO(超低漏失电压)线性稳压器，
最大工作电流能达到100mA，输出电压3.3V。
引脚设计要求
为了满足便携式设备小体积的要求，芯片可采用SOT-23封装，
电路中需设置5个引出脚，管脚功能如表2。
SOT-23封装外形示意如图1，这种封装的面积小于3×3mm2。
图1 SOT-23封装外形
应用要求
本设计的应用要求是要占尽量小的PCB板空间，可外接元
件很少，只有输入输出电容，当使能功能闲置时，将该引
脚接到输入端。
极限参数设计要求
极限参数反应了稳压器所能承受的最大的安全工作条件，
该芯片的极限参数如表3所示。
注1:最大允许功耗是最大结温TJ(max)，结与外界热敏
电阻θJA，以及外界温度TA的函数，在任何外界温度下
的最大允许功耗用下式计算:对于
SOT-23封装θJA的值为220℃/W，则这个芯片在常温下
的PM(忽略了器件正常工作下的静态功耗)为
如果超出最大允许功耗将导致死
温，稳压器进入热关断。
模块电路设计和性能实现
实现超低漏失电压和低静态电流是本设计的关键技术，同
时为了兼顾其它主要电特性，对每个模块的设计都提出了
很高的要求。本文着重介绍其中基准源模块的设计。
系统框图和工作原理
作为双极型LDO线性稳压器，必须包含PNP调整管、电
压基准、误差放大器、反馈采样电阻以及启动和偏置电路。
为了实现使能控制和过温过流保护功能，还增加了使能电
路和过温过流保护电路，如图2的系统框图所示。
图2 XD4821的系统框图
基本工作原理是：系统加电，如果使能脚处于高电平时，
电路开始启动，电流源电路给整个电路提供偏置，基准源
电压快速建立，输出随着输入不断上升。当输出即将达到
规定值时，由采样电阻得到的反馈电压也接近于基准电压
值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误
差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负
反馈，保证了输出电压稳定在规定值上;同理如果输入电压
变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不
变。如果使能脚处于低电平，启动电路不工作，电流源偏
置无法建立，电路处于关闭状态。
高精度电压基准模块设计
基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接
决定了稳压器输出的大小，它是影响稳压器精度的最主要
因素。LDO线性稳压器为了实现高精度和低压输出，所以
采用高精度低温度系数的带隙(Bandgap)基准电压源结构，
这种结构已经广泛地应用于各种模拟或数模混合集成电路
中，如稳压器、充电保护器、ADC、DAC、RF(射频)电路
等，工艺已很成熟。
实用的带隙基准电压电路
图3 是一种实用的带隙基准电压电路。Ql和Q2的发射区面积
比为1:N，Q3和Q4完全对称，构成镜像电流源给Ql和Q2提
供工作电流，因而IC3=IC4，ICl=IC2，IEl=IE2。则Rl上的压降
为
式中，VT=KT/q为热电压，J1、J2分别是Q1、Q2管的发射极
电流密度，它们之间的比值为
由IE1=IE2得R2上的压降为
从上式中可得到基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以
及Ql和Q2的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将
会有很高的精度。当基准建立之后，基准电压与输入电压无关;
而且VBE具有负温度系数，VT为正温度系数，理论上，只要选
取合适的R2/R1和R1(决定Q1发射极电流，从而影响VBE1)
的值就可以得到零温度系数基准电压。
图3 实用的带隙基准电压电路
完整电路的设计
完整的带隙基准电路需要启动电路、偏置电路以及反馈回
路，如图4所示。Q6、R3作为基准的启动和偏置电路，
并且和Q5构成基准的反馈电路，保证了电路的稳定性。
图4 完整的带隙基准电压电路
Q1、Q2、R1和R2组成的是一种带隙比较器，其门限
电压为(式5)所求得的值，当输入电压较低时，基准电压小
于门限电压，此时电流很小，两晶体管的VBE几乎相等，
而Q2比Q1面积大，故IC2大于IC1，带隙比较器输出(Q1
集电极)为“高”，Q5截止;随着输入电压的增大，基准逐渐
增大，IC1电流呈指数规律上升，IC2受电阻R1限制线性
上升，当这两者电流达到相等时，带隙比较器输出“低”使
Q5导通，吸收部分Io电流，使基准输出稳定到门限值。
因此Q5起反馈作用，而这整个电路就相当于电压跟随器。
但是这种结构的特殊之处是通过改变偏置电流源而实现反
馈功能的，反馈过程如下:
结束语
基准模块是线性稳压器的一个核心部分，基准的大小直接
决定了稳压器的输出的大小，它是影响稳压器精度的最主
要因素。本文基于LDO线性稳压器在电源管理类IC家族
中的重要地位，给出了实现超低漏失、低静态电流的电压
基准模块的设计，为便携式设备的电源管理提供了可行的
解决方案。