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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。
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
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。
ldo的参考电压LDO（Low Dropout）线性稳压器是一种广泛应用于低电压、低功耗电子设备的电源管理芯片。
在LDO中，参考电压是一个关键参数，它对整个电路的性能有着重要影响。
本文将介绍LDO的参考电压，分析其作用和调整方法，并探讨参考电压对LDO性能的影响。
1.LDO简介LDO是一种具有低输出电压噪声、低输入电压范围和低输出电流能力的线性稳压器。
它能在很宽的输入电压范围内工作，为负载提供稳定的输出电压。
LDO广泛应用于便携式电子设备、通信设备、嵌入式系统等领域。
2.LDO的工作原理LDO的工作原理主要是通过调整晶体管的导通程度来实现输出电压的稳定。
在LDO电路中，参考电压是一个重要的控制信号，用于控制晶体管的导通程度。
3.LDO的参考电压的作用参考电压在LDO中起到关键作用，它决定了LDO的输出电压精度、输出电流能力等性能指标。
参考电压通过基准源电路产生，通常为固定的1.2V或1.5V。
在LDO的工作过程中，参考电压与输入电压、输出电压之间存在一定的关系，通过调整参考电压，可以实现LDO输出电压的稳定。
4.调整参考电压的方法调整参考电压的方法主要有两种：（1）改变晶体管的导通程度：通过调整晶体管的导通程度，可以改变输出电压。
导通程度受到参考电压的控制，因此，调整参考电压可以实现输出电压的稳定。
（2）改变参考电压源的增益：参考电压源的增益决定了参考电压的大小。
通过改变增益，可以实现参考电压的调整，从而达到稳定输出电压的目的。
5.参考电压对LDO性能的影响参考电压对LDO的性能有很大影响，主要包括以下几个方面：（1）输出电压精度：参考电压的精度直接影响到LDO的输出电压精度。
参考电压越高，输出电压精度越好。
（2）输出电流能力：参考电压决定了LDO的输出电流能力。
一般情况下，参考电压越高，输出电流能力越大。
（3）电源抑制比：参考电压对电源抑制比也有影响。
参考电压越高，电源抑制比越好，抗干扰能力越强。
LDO工作原理详解LDO（Low Drop-Out）是一种常用于电子设备中的线性稳压器件，其作用是将输入电压稳定地转换为较低的输出电压。
相比于传统的线性稳压器，LDO具有较低的压降和较高的输出电流能力。
在本文中，我将详细介绍LDO的工作原理。
LDO的基本原理是通过对输入电压进行线性调节来获得稳定的输出电压。
其主要的组成部分包括基准电压源、误差放大器、功率管和反馈环路。
首先，基准电压源产生一个稳定的参考电压，这个电压通常是一个稳定的参考电压源芯片产生的。
这个基准电压是LDO中非常重要的一个部分，它决定了LDO的输出电压的稳定性。
稳定的基准电压源有助于LDO实现较高的稳定性和准确的输出电流。
接下来，误差放大器通过将输入电压与基准电压进行比较来产生误差信号。
如果输入电压下降，误差信号将会增加，而如果输入电压上升，误差信号将会减小。
这个误差信号被反馈回到LDO的内部，控制功率管的导通程度，从而控制输出电压的稳定性。
误差放大器通常由一个差分放大器和一个错误放大器组成，用于放大输入电压和反馈电压之间的差异。
功率管是LDO中的核心部分，它根据误差放大器的控制信号来调节输出电压。
当误差放大器接收到一个较高的误差信号时，功率管将会被导通，从而降低输出电压。
反之，当误差放大器接收到一个较低的误差信号时，功率管将会被关闭，从而提高输出电压。
功率管的导通和关闭控制通过一个差分放大器实现，它将LDO输出电压和参考电压进行比较，并将结果反馈给功率管。
最后，反馈环路用于将输出电压信号反馈回误差放大器，以保持稳定的输出电压。
当输出电压偏离参考电压时，反馈环路将会对误差放大器产生一个调节信号，从而调节功率管的导通程度，使输出电压恢复到设定值。
总结起来，LDO通过基准电压源、误差放大器、功率管和反馈环路的配合工作来实现输入电压的稳定转换为较低的输出电压。
基准电压源产生一个稳定的参考电压，误差放大器将输入电压和参考电压进行比较，功率管根据误差放大器的控制信号调节输出电压，反馈环路用于保持输出电压的稳定性。
LDO电路基本结构及工作原理分析LDO是低压差线性稳压器的简称，广泛的用于消费电子，医疗电子，汽车电子，通信设备等等各行各业。
可以说是无处不在，但是大家对LDO的工作原理是否清楚呢，下面就给大家简单的介绍下LDO的基本工作原理。
LDO是一种直流降压型的线性稳压器，其在输入电压或者负载发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压。
LDO电路具有体积小，噪声低，功耗低，应用简单等特点。
LDO电路基本结构包含电压基准源、误差放大器、调整管、反馈电阻四个模块，如图1所示。
其中电压基准源为误差放大器提供了高精度的基准电压，误差放大器、调整管以及反馈电阻组成了LDO的控制环路，当输入电压或者负载电流变化的时候，输出电压也要做出相应的变化，此时LDO通过它的控制环路的负反馈调节作用可以抑制输出电压的变化。
控制如下：当输入电压降低时，通过反馈电阻R1/R2的分压作用，反馈电压VFB 也相应的降低，基准电压源于误差放大器的反向输入端提供了稳定的参考电压，反馈电压VFB接误差放大器的正向输入端，误差放大器的输出电压相应减小，调整管的栅极电压降低，栅源电压差值增加，漏极电流增加，输出电压相应增加，抑制了输出电压的降低，从而保持在稳定的输出。
反之输入电压升高时的控制也类似，在这里就不多说。
LDO的主要性能指标包括压差电压、静态电流、效率、线性调整率、负载调整率、噪声等等。
以上几个参数是做LDO选型时最需要考虑的几个点。
现在的发展趋势是压差电压越来越低、静态电流越来越小、输出电流越来越大、输出噪声越来越低、外围器件需求越来越简单、封装体积越来越小等等。
MPS的LDO选型表见表1，标示出来的各项参数情况基本上都标示出来了，大家在选型的时候可以参考。
LDO原厂技术支持曾工：177****4538。
ldo集成电路设计LD0集成电路设计是现代电子技术领域中的一个重要方向。
LD0是指低压差线性稳压器，它能够将输入电压稳定在设定的输出电压上，具有稳定电压输出、高效率、低功耗等特点。
在各种电子设备中，LD0集成电路广泛应用于电源管理、电池充电、通信设备等领域。
LD0集成电路设计的核心是稳压器电路的设计。
稳压器电路由基准电压源、误差放大器、功率输出器等组成。
基准电压源提供稳定的参考电压，误差放大器通过比较输入电压和参考电压来产生误差信号，功率输出器根据误差信号调整输出电压。
LD0集成电路中的这些部分都需要精确设计和优化，以保证稳定的输出电压。
在LD0集成电路设计中，最关键的是误差放大器的设计。
误差放大器负责将输入电压和参考电压进行比较，并产生误差信号。
误差放大器通常由运算放大器和一些外部元件组成。
运算放大器是一种重要的模拟电路元件，具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点。
在LD0集成电路设计中，选择合适的运算放大器，并通过合理的电路设计来实现误差放大器的功能。
另一个需要注意的是功率输出器的设计。
功率输出器负责根据误差信号调整输出电压。
在LD0集成电路设计中，功率输出器通常采用MOS管作为功率开关。
MOS管具有开关速度快、功耗低等特点，非常适合用于功率输出器。
在设计功率输出器时，需要考虑功率开关的驱动电路、保护电路等，以确保LD0集成电路的稳定工作。
除了误差放大器和功率输出器，LD0集成电路设计中还需要考虑其他因素。
例如，输入电压范围、输出电压范围、负载能力等都需要在设计过程中进行合理的选择和优化。
此外，还需要考虑温度漂移、噪声抑制、短路保护等方面的设计。
在LD0集成电路设计中，模拟电路设计和数字电路设计都起着重要的作用。
模拟电路设计主要涉及运算放大器、电阻、电容等模拟元件的选择和布局，而数字电路设计主要涉及逻辑门、时钟信号、控制信号等数字元件的设计和优化。
模拟电路设计和数字电路设计之间的协调是LD0集成电路设计的关键。
摘要随着电源管理IC技术的不断发展，高性能低成本的电源管理芯片越来越受到用户的青睐。
LDO线性稳压器以其低噪声、高电源抑制比、微功耗和简单的外围电路结构等优点而被广泛应用于各种直流稳压电路中。
为适应电源市场发展的需要，结合LDO系统自身特点，设计了一款低功耗、高稳定性LDO线性稳压器。
本文首先简要介绍了LDO线性稳压器的工作原理与基本性能指标。
其次，从瞬态、直流、交流三方面对系统结构进行深入研究，阐述LDO稳压器的设计要点与各种参数的折衷关系。
随后从低功耗设计的角度出发，对各子模块结构进行优化，从而确立最终的系统架构。
通过建立LDO电路的交流小信号模型，计算得到系统的环路增益并由此推出电路中零极点的分布位置从而获得研究系统稳定性问题的途径。
针对文中采用的两级级联误差放大器直接驱动调整管栅极的拓扑结构，引入嵌套式密勒补偿和动态零点补偿两种方法来保证系统的稳定性要求。
讨论了嵌套式密勒补偿中调零电阻可能存在的位置，确定最合适的补偿结构从而有效地消除了右半平面零点对系统稳定性的影响。
最后分析了各子模块电路的结构与工作原理，并给出了LDO系统模块与整体仿真的结果与分析。
电路设计采用了CSMCum CMOS工艺模型，对LDO稳压器在不同的模型、输入电压、温度组合下进行前仿真验证。
结果表明：电路不带负载的uA，系统带宽几乎不随负载变化，在输出电流范围内能保证较好的稳定性。
关键词：线性稳压器，低压差，嵌套式密勒补偿，动态零点补偿，低功耗AbstractWith rapid development of power IC technology, high performance low cost power management chips become more and more popular. LDO linear regulator is widely used in various kinds of DC regulating voltage circuits, for the benefits of low noise, high power supply rejection ratio (PSRR), micro power loss, and simple peripheral structure etc. In order to meet the needs of power market development, combining with self features of LDO system, this thesis proposes a kind of LDO linear regulator with low power and excellent stability.Firstly, this thesis gives a brief introduction on working principles and basic indicators of LDO regulator. System structure will be deeply discussed in TRAN, DC, AC three aspects and designing key points along with various parameter trade-off relationships will be expounded subsequently. Then, optimums every sub-module and determines the final system architecture from the angle of low power design. In order to obtain the path to research on stability of LDO system, calculates loop gain and deduces zero-pole distribution by setting up AC small signal models. Nested miller compensation (NMC) and Tracking-frequency compensation will be introduced to ensure the stability of LDO topological structure which adopts two stage cascade error amplifier driving pass element directly. Discusses probable situation of nulling resistor in NMC circuits, and eliminates effect of right-half-plane zero effectively by fixing a best compensation structure. Analyzes structure and working principle of every sub-module in detail, simulation results of whole chip will be shown in the end.Circuit design is based on CSMC 0.6um CMOS process and simulation has been completed under different combinations of spice models, supply voltages andoperating temperatures. The whole chip cost static current of 1.79uA, bandwidth is almost constant and the system keep excellent stability under whole output current range.Keywords：Linear Regulator Low Dropout Voltage Nested Miller Compensation Tracking-frequency Compensation Low Power目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论1.1LDO线性稳压器的研究意义 (1)1.2LDO线性稳压器的研究目的 (4)1.3论文章节安排 (4)2LDO线性稳压器的简介2.1LDO的结构与工作原理 (6)2.2LDO的基本性能指标 (7)2.3LDO的基本应用 (10)2.4本章小结 (12)3 LDO系统架构的设计考虑3.1LDO系统电路的瞬态研究 (13)3.2LDO系统电路的直流研究 (16)3.3LDO系统电路的交流研究 (17)3.4LDO子模块的设计考虑 (19)3.5本章小结 (25)4 LDO稳定性研究与补偿方式的确定4.1LDO环路增益的建模 (27)4.2传统ESR电阻补偿 (29)4.3LDO补偿方式的优化 (34)4.4本章小结 (43)5 模块电路的实现与仿真5.1基准与偏置电路的设计 (44)5.2恒定限流电路的设计 (47)5.3FOLDBACK电路的设计 (50)5.4本章小结 (54)6 LDO整体电路仿真与分析6.1瞬态仿真与分析 (55)6.2直流仿真与分析 (56)6.3交流仿真与分析 (58)6.4本章小结 (59)7 全文总结 (61)致谢 (63)参考文献 (64)1 绪论半导体工艺技术的提高及便携式电子产品的普及促使电源管理IC有了长足的发展。
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。
