本科毕业论文-—ldo误差放大器频率技术分析与设计

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1、毕业设计（论文）设计（论文）题目：LDO误差放大器频率技术分析与设计重庆邮电大学本科毕业设计（论文）摘 要近年来，CMOS工艺水平不断进步，便携式电子的应用领域也不断深入，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行业起步较晚，LDO的发展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，对今后发展具有战略性意义。本文针对LDO的发展要求，主要研究LDO的核心误差放大器，且着重对误差放大器频率补偿进行分析和设计。结合国内外现

2、有三级放大器补偿结构的优点，本论文采用单密勒电容前馈频率补偿(SMFFC)，并用Cadence完成电路构造和参数仿真。此放大器的设计采用CSMC 0.5um工艺，在正负电源电压分别为正负一伏，负载电容120pF，负载电阻25K的情况下对电路进行仿真，仿真达到指标为：放大器的单位增益带宽为8.6MHz,直流增益95.4dB,相位裕度为60.7，补偿电容仅为，2.76pF，功耗仅为0.384mw。分析与设计的具体内容有：第一章主要对LDO的工作原理和误差放大器对LDO的影响进行简单的阐述，以引出下文对误差放大器的分析。第二章一方面对误差放大器基本电路单元进行分析设计；另一方面着重分析放大器的频率补

3、偿，运用一种SFMMC结构的补偿方式，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；第三章则根据本次设计提出的各项指标对电流进行分配从而计算出各管子的宽长比，并用Candence仿真软件对电路图进行仿真，分析仿真结果。从仿真结果可以看出，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。【关键词】低压线性稳压器 误差放大器 频率补偿 SMFFCABSTRACTIn recent years, along with the continuous deve

4、lopment of the process level and the deepening in the application fields of portable electronic equipments, the performance requirements of Low- dropout Linear Regulator(LDO) is becoming more and more rigorous. The future development trends of LDO are: lower cost, lower noise, lower power consumptio

5、n, higher efficiency, higher integration, and wider range of application. The domestic development of LDO is behind the advanced international standards, because the IC industry started late. And the market shares of power management chips are mainly occupied by foreign companies. Therefore, there i

6、s important strategic meaning to master the basic knowledge of power technology, study the international advanced skills, and design new circuit structures which are practical.Due to the requirement of LDO, this paper mainly study the core of LDO, namely, error amplifier, emphasizing on frequency co

7、mpensation analysis and research. Based on the existing compensation structures of three-stage error amplifier ,this paper introduces a kind of compensation called Single Miller Capacitor Feed-forward Frequency Compensation(SMFFC). Whats more CSMC 0.5um COMS technology is adopted, and circuits desig

8、n and parametric simulation are accomplished through the spectre simulation tool. The design of circuit is done here to drive a 120pF load. When the power supply voltage is 2V,the GBW achieves 8.6MHz, the DC gain reaches to 95.44dB, the phase margin can be 60.7,the miller capacitor is only 2.51pF,an

9、d the power supply consumption is just 0.384mw. In chapter one, the basic construction and theory of LDO and the influence to LDO of error amplifier are interpreted in order to introduce the analysis of the error amplifier. In chapter two, on the one hand, the basic amplifier cells are studied and d

10、esigned. On the another, the amplifiers frequency compensation is analysized adopting a kind of SFMMC structure through analysizing its small signal transfer function to confirm its locations of zeros and poles and achieve the purpose of frequency of frequency compensation through left half-plane ze

11、ro. In chapter three, the current is attributed based on indictors of this design to calculate the rate of width and length of every transistor. .According to the simulation data, this design achieves the expected purpose of compensation, and completes the requirements of design specifications.At th

12、e end of this paper, all the jobs are summarized briefly, while some existing disadvantages are pointed out. And the ideas concerning to this design and future development are also put forward.【Key words】LDO; Error Amplifier; Single Miller Capacitor; Frequency Compensation目 录摘 要1第一章 绪 论5第一节 研究背景及意义5

13、第二节 国内外研究现状7第三节 本论文主要工作8第二章 低压线性稳压器的介绍10第一节 LDO工作原理10第二节 误差放大器对LDO的影响13第三节 本章小结14第三章 误差放大器电路分析与设计15第一节 基本电路单元设计15第二节 频率补偿的分析与设计19第三节 本章小结27第四章 误差放大器参数分析与仿真28第一节 参数分析与计算28第二节 电路仿真31第三节 本章小结40结 论 与 展 望41致 谢43参考文献44附 录47一、英文原文：47二、英文翻译：61第一章 绪 论第一节 研究背景及意义 随着电力电子技术的发展，集成电路生产工艺不断进步，系统芯片种类越来越多，应用领域越来越广。多

14、晶硅栅CMOS工艺己经发展到了深亚微米，用0.18um、90nm、45nm级工艺器件制造芯片不是天方夜谭。碳纳米管1的出现又会使这些技术得到进一步发展。器件尺寸不断地减小，推动着电子设备芯片向更高的集成度方向发展。在过去的十年电源技术可以说是突飞猛进。电源管理是电子行业中不可或缺的行业之一，随着电子产品逐步在人们的生活中得到普及，价格越来越低，集成度越来越高，但是功能却越来越强，应用范围越来越广。而大多数电子设备如通信设备、网络设备、计算机、PDA、数码相机、汽车电子等，都需要有可靠的电源管理电路。电源的精度、稳定性及可靠性直接影响着电子设备的性能。因此，电源管理技术显得尤为重要，电源电路愈来

15、愈复杂，集成化程度也越来越高，电源技术己经逐渐演变成为一个独立的学科分支。国际上电源管理技术的研究设计生产己经进入了一个较为成熟的阶段，国内在这方面的发展也比较迅速，但与国际水平有一定差距，还需多与国际先进水平交流。但这门技术总的发展趋势是一致的，即高效率、低功耗、高集成度、多功能化。因此，掌握基本电源管理知识的同时，具备一定的创新性能力，建立更适应未来发展的结构对于本行业的设计者来说具有长远的意义。 低压差线性稳压器(low dropout regulator（LDO)作为电源管理电路之一，具有低成本、低噪声、低功耗、高速率等特点。LDO产品的高速发展，不仅推动了手持消费类电子产品的快速发展

16、，也推动了同类电源产品的更新换代。目前对LDO发展的挑战主要是希望LDO产品能够提供更低的Vdrop、更高的效率、以及更小的封装面积以应对手持设备中对高效率和苛刻的工作环境的要求。误差放大器作为LDO的核心组件，它用于放大采样信号，并将其输出到调整管的栅极，控制调整管的工作状态，使输出电压保持稳定。误差放大器的带宽和增益直接决定着LDO的PSRR性能，误差放大器的静态功耗直接影响LDO的效率，误差放大器的转换速率直接影响着LDO的瞬时响应。因此，误差放大器性能的改善将极大提升LDO的功能。误差放大器在其它同类产品中也发挥着举足轻重的作用，由于LDO和开关电源的要求,宽带宽、高增益、高速率、低功

17、耗、小面积的误差放大器一直是研究的热点，更优良的放大器结构更应该成为重点研究对象来面对日新月异的器件制造工艺和更恶劣的工作环境，并同时满足包括电源产品在内的各类电子产品性能要求。 传统的两级误差放大器依靠大量晶体管级联(Cascode)的方式,来实现高增益。但随着低压的要求，以及工艺的发展(管子的有效长度越来越小)，使得高增益的实现需要更复杂的电路来实现。直到2003年,Ka Nang Leung和Phihp K T. Mok等人发表了“A Capacitor-Free CMOS Low-Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequen

18、cy Compensation”，才开始将三级误差放大器的思想应用于LDO中2。而国内相关的文章很少，更不必说有多少此类产品出现。三级放大器只需增加少数几个面积很小的晶体管便可以实现，并且对于复杂的两级运放来说，功耗不会增加。而大于三级的放大器是不需要的，因为三级放大器的增益已经能够很容易实现高增益的要求，多出一级无论从功耗、面积及补偿难度系数等方面来说，都是不明智的。设计过程中，三级放大器相对于两级放大器来说极点数增多，电路的稳定性变差，主要体现在频率特性上面。鉴于以上原因，本文将介绍一种基于MSFFC补偿的高增益、高带宽、低压、低功耗的三级误差放大器。第二节 国内外研究现状由于便携式电子产

19、品在市场中所占有份额的增多，在最近十年来，无论是国外，还是国内，其发展速度是令世界瞩目的。LDO作为主要电源电路之一，其性能越来越好，应用范围越来越广。作为LDO的核心，运算放大器出现时间较早。1965年，美国仙童(Fairchild)公司的Bob Widlar成功的设计了第一个运算放大器uA709，但是存在闩锁效应及其它一些问题。很快，于1966年此公司又发明了uA74l15,并在60年代后期广泛流行，成为了行业标准，并且影响着运算放大器多年来的设计。随着工艺水平的进步，经过了几十年的不断更新，由最初的双极型运算放大器发展到现在的CMOS运算放大器，其性能、结构及封装尺寸都有了翻天覆地的变化

20、。近年来，在IEEE上已有两、三百篇关于运算放大器的文章，其中大多数是国外的，国内也有少量，如中国科学院微电子研究所Wang jin和Qiu Yulin在IEEE上发表了论文“Analysis and design of fully differential gain-boosted telescopic cascode opamp”，其设计的运算放大器采用0.35umCMOS工艺，在2pF的负载下单位增益带宽为16lMHz，直流增益129dB，相位裕度70.4。，建立时间23.5ns，功耗3.89mw16。但是这些文章所涉及到的电路结构都是传统的两级结构，采用Cascode结构来实现高增益，

21、用极点分裂，零点补偿来实现稳定，用推挽结构来提高输出摆幅，用共模反馈来稳定共模电压输出值。其种类层出不穷，性能各异，根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类放大器产品。为不同目的而产生放大器结构，所达到的性能要求各不一样：静态电流可以在luA以下，增益可高达10OdB以上，带宽可以上10GHz，电源抑制比也可高达15OdB。因此，电路结构各异，但总的趋势是在达到设计要求的同时，寻求性能平衡，尽量提升各方面性能。因为两级放大器技术无论是在标准双极工艺，还是在CMOS工艺，BICMOS工艺下都己趋于成熟，所以LDO内的误差放大器结构也以两级放大器为主。如Tsz

22、Yin Man及philip K. T. Mok等人于07年所发表的“A High Slew-Rate Push-Pull Output Amplifier for Low-Quiescent Current Low-Dropout Regulators With Transient-Response Improvement”，采用Push-Pull结构提升输出级的驱动能力，在0.18um工艺下，LDO输入电压1V，负载电流50mA，压降电压100mv17。 Wonseok Ohey及Bertan Bakkaloglu于05年所发表的“A CMOS Low Noise,Chopper Stab

23、ilized Low-Dropout Regulator With Current-Mode Feedback Error Amplifier”,使用共模反馈提高转换速率和瞬态响应，在0.25um工艺下，LDO输入电压为2-2.5v，最大负载电流50mA，输出电压为1.5-2V18。最新的技术却并不再是两级放大器，而是趋于三级或更多级的放大器Johan H. Huijsing分别于1984年和1992年，就多级放大器的频率补偿方式，申请了专利19,20。三级放大器优点是：增益大、工作电源电压低、更适合于低压低功耗的发展需求。但是由于其自身补偿复杂，及LDO的补偿难度系数高，使得这类放大器并没有

24、得到很好的发展。直到2003年,Ka Nang Leung和Phihp K T. Mok等人发表了“A Capacitor-Free CMOS Low-Dropout Regulator With Damping-Factor-Control Frequency Compensation”，才开始将三级误差放大器的思想应用于LDO中2。而国内相关的文章很少，更不必说有多少此类产品出现。综上所述，国际上放大器技术的研究设计生产己经进入了一个较为成熟的阶段，国内在这方面的发展也比较迅速，但与国际水平有一定差距，还需多与国际先进水平交流。但这门技术总的发展趋势是一致的，即高效率，低功耗，高集成度，多

25、功能化。因此，掌握基本放大器知识的同时，具备一定的创新性能力，建立更适应未来发展的结构，对于本行业的设计者来说具有长远的意义。第三节 本论文主要工作本文对应用于LDO的误差放大器进行了深入地研究，摒弃了传统的两级放大器结构，在现有的三级误差放大器补偿方式的基础上，构建了一种新型的补偿方式单密勒电容前馈频率补偿(SMFFC-Single Miller Capacitor Feed-forward Frequency Compensation),并设计相应的电路结构。目的是：实现一种高增益、高增益带宽积、低压低功耗、小面积的误差放大器,能够将其应用于LDO上。用spectre在CSMC 0.5um

26、CMOS工艺下对电路进行仿真验证，并对结果进行分析。文章结构及各章节内容具体如下：第一章介绍本论文所研究的背景及现实意义，国内外的研究和发展状况，以及简述本论文所做的主要工作。第二章主要对LDO的工作原理和误差放大器在LDO的作用及影响进行简单的阐述，以引出下文对误差放大器的分析。第三章一方面对误差放大器基本电路单元进行分析设计；另一方面着重分析放大器的频率补偿，运用一种SFMMC结构的补偿方式，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；第四章则根据本次设计提出的各项指标对电流进行分配从而计算出各管子的宽长比，并用Candence仿真软件对电路图进行仿真，分析

27、仿真结果，验证其所达到的性能指标。最后，对本文工作进行总结、展望和致谢。本文在传统的LDO指标基础上2，结合此类型放大器应该达到的性能20，提出了如下表所示的指标要求：表1-1本文提出的误差放大器的主要设计指标电源电压典型值Vdd/Vss+1/-1负载电阻(RLoad)/电容(CLoad)120pF/25K开环增益（Gain）95dB单位增益带宽8.5MHz相位裕度（PM）60。电源电压抑制比（PSRR）90dB转换速率（SR）3共模抑制比（CMRR）90dB功耗0.4mw 第二章 低压线性稳压器的介绍第一节 LDO工作原理LDOlow dropout regulator即低压差线性稳压器16

28、19,是相对于传统的线性稳压器来说的。稳压器是电源管理系统不可或缺的组成部分,在各种稳压器结构中，低压差线性稳压器凭借较小的PCB面积，低噪声以及较低的静态功耗和成本等优势在移动设备中得到了广泛应用，本节对LDO的内部结构、工作过程等进行相应描述。2.1.1LDO内部结构传统的LDO由以下几个部分组成:基准电压源(VREFVoltage Reference),误差放大器(Error Amplifier),反馈网络(Feedback Network),PMOS调整管(Pass Element),及片外电容(Off-chip capacitor)。如图2-1所示：图2-1传统LOD示意图 各组成部

29、分作用如下： 1、基准电压源（Voltage Reference）VREF是LDO变换器工作的起点，直接影响到LDO工作的精度和可靠性。一个性能优越的基准电路，能够保证在相当广的范围内不随PVT（Process、Voltage、Temperature）影响而变化。2、误差放大器（Error Amplifier） 误差放大器是LDO的核心组成部分，误差放大器的主要作用是提取LDO输出端信号Vouto和VREF之间的电压差值，将其放大，然后用其输出作为驱动信号来驱动调整管(MPT)的栅极,从而控制调整管的输出电流，使输出电压保持稳定。另外，误差放大器还决定着LDO的精度、PSRR、瞬态响应速度等性

30、能。当时，理想状态下，利用负反馈功能实现LDO输出电压值的确定，并由下式给出： （2-1） 3、反馈网络（Feedback Network） 其作用有两个:输出端电压(Vouto)变化时，通过反馈网络两个电阻、采样，传送到误差放大器的正输入端，达到负反馈的目的。通过调节、的大小，可以改变输出电压(Vouto)的大小。 4、 调整管（Pass Element） 主要作用是为负载输出大电流提供通道。由于其容抗很大，所以要求误差放大器要有很强的驱动能力。图2-1中选择PMOS管作为调整管，由于效率的要求，调整管一般工作在线性区。物理构造与普通的MOS管不同，一般会增加漂移区以承受漏源高压，增加场释放

31、结构(fieldrelief)，以防止将薄的氧化层击穿。另外，由于调整管流过的电流很大，因此还要注意散热。 5、片外电容（Off-chip Capacitor） 它的作用主要是使LDO稳定，对LDO系统传输函数中所存在的低频极点进行补偿。Re是等效串联电阻，与电容Cout产生的一个零点位于： （2-2）以上便是LDO的主要结构。然而在实际芯片设计中往往还会考虑到芯片的工作安全问题，为使电路在负载电流过大或在高温下工作时不被损坏，通常还会加入限流电路、过流保护电路。另外，在有些较为先进的技术中，可以省去片外电容，以节省面积，并且保证环路的稳定性。2.1.2 LDO原理分析由上面各模块的功能介绍可

32、以了解LDO的基本工作原理：由于输入电压或输出电流变化，引起了输出电压的变化，则反馈网络会立即将信号传送到误差放大器的正输端，并与基准电压源做比较，将其差值放大到输出端(Vout)，控制PMOS调整管栅极电压，从而对调整管的输出电流作用，最终调整输出电压Vouto,保证LDO始终工作在稳定状态。下面以电源电压(VDD)升高为例，参照图2-1和图2-2来说明LDO主要的工作过程：当电源电压升高(工作范围内)时，调整管MPT的漏源电压绝对值|上升,由式2-3可知，时刻，调整管输出电流由上升到从而引起输出电压也从上升到。反馈网络采样输出变化后，反馈到误差放大器的正输入端，从而产生误差信号：。通过误差

33、放大器后，在时刻，使得MPT栅极电压上升，从而使得栅源电压绝对值|下降，再由公式2-3可得：电流在t2时刻下降到输出电压进入稳定状态，这里。 （2-3） 图2-2电源电压变化时稳压器的工作过程 第二节 误差放大器对LDO的影响 前面主要谈到了LDO的相关基础，那么误差放大器在LDO中的影响如何呢？误差放大器作为LDO的重要组成部分，其性能直接影响LDO，具体表现为以下几个方面：1、误差放大器的增益直接影响着LDO的电源电压抑制比、环路增益、线性(电压)调整率及负载调整率；2、误差放大器的零极点位置影响LDO包括环路稳定性在内的频率特性；3、误差放大器的转换速率影响LDO的线性瞬态响应和负载瞬态

34、响应；4、误差放大器的驱动能力影响LDO的线性瞬态响应和负载瞬态响应；5、误差放大器作为LDO整体结构的一部分,其静态电流决定LDO的效率； 6、误差放大器的面积影响整体面积,特别是补偿电容；7、误差放大器作为反馈的主要部分，控制着栅极电压，从而控制调整管的输出电流,使输出电压保持稳定。 综上所述，作为LDO核心，误差放大器起着举足轻重的作用，设计一个性能(特别是开环频率响应和补偿电容的尺寸)良好的误差放大器对LDO来说是必须的。 第三节 本章小结本章主要介绍了LDO的内部结构、工作原理以及误差放大器在LDO中的作用和影响。本章指出LDO是由基准电压源(VREF),误差放大器(Error Am

35、plifier),反馈网络(Feedback Network),PMOS调整管(Pass Element),及片外电容(Off-chip capacitor)组成；并由此分析了LDO的工作原理；在此基础上引出LDO的核心组成部分误差放大器，以方便下文对误差放大器的分析与研究。第三章 误差放大器电路分析与设计第一节 基本电路单元设计一个三级放大器必然包括基本的三级：输入级提供高增益幅度；中间增益级进一步提升增益幅度；输出增益级提高输出摆幅和增益幅度。由于三级放大器补偿设计的需要，下面主要分析可选用的相关电路的电压增益和一些输入、输出寄生电容。3.1.1 输入级由于第一级放大器主要作用是使输入共模

36、电压的范围最大化，并且提供主要的增益，比较共源共栅放大器与折叠共源共栅的优缺点，由于共源共栅结构的输入共模电压范围较低，根据传统的设计方法，通常第一级一般采用折叠共源共栅电路3，如图3-1所示：图3-1 折叠共源共栅放大器首先,此电路单端输出的最大电压摆幅： （3-1）放大器跨导为： （3-2）输出电阻可用小信号分析法得到： （3-3）综合式（2-2）、（2-3），可得到： （3-4）计算输出点总电容： （3-5）式中，是此折叠式共源共栅放大器的负载电容； （3-6）W、L为器件宽和长 ，和分别为单位面积和单位长度电容；，（为单位宽度交叠电容）由上可见偏置电压的选择很重要，需要在摆幅、偏置电流

37、与增益之间平衡，提升能增加摆幅，但这无疑是消耗了更多的功耗；减小层叠数,也可达到相同目的，但是会减小增益，所以要采用多级放大器级联的方式来解决问题。另外，减小寄生电容的方法是减小宽长积，而匹配性能会变差，较为有效的方法是在版图布局的时候MOS管尽量采用叉指状的方式来减小寄生电容的存在。3.1.2 中间级在三级放大器中，中间级的主要作用是提升增益,增益的大小需要根据拓扑结构的要求而定，同时需要注意的是其寄生电容对整体电路的频率的影响。图3-2介绍了两种简单的单级放大器。图3-2 共源级放大器对于图3-2(a)所示的二极管连接的PMOS负载的共源级放大器，跨导为MN管的跨导,输出电阻为: ，其电压

38、增益为： （3-7）根据米勒效应，输入电容为： （3-8）输出电容为： （3-9）式中，； 单位面积栅氧化层电容； 共源级放大器的负载电容。 现代CMOS工艺所制作的器件，沟道长度调制非常明显，一般还不能忽略其作用。这里主要是为了方便分析所以简化了。从上面的式子可以看到要得到一个较大的增益，则NMOS管的宽长比须比PMOS管大得多，同时引起的寄生电容和版图面积也会增加。对于图3-2(b)所示的电流源负载共源级,跨导为MN管的跨导，输出电阻为：，由于，正比于L，所以其值很大,电路增益可以得到提高。其电压增益为： （3-10）根据米勒效应，输入电容表示为： （3-11）输出电容为： （3-12）为

39、了获得高的增益，本设计选择图（b）电路。3.1.3 输出级输出级既要提供一定的增益和较大的输出摆幅，还要以电压或者电流的形式提供足够的输出功率，保证高效率。常见的输出级电路有：源级跟随器和推挽式电路结构，如图3-3所示。由于图(a)源极跟随器的电压摆幅远没有推挽式结构性能良好，一般不采用，所以下面分析图(b)推挽式结构。图3-3 输出级电路其输出摆幅理论上可以达到全摆幅,即在电源电压VDD范围内。跨导为，输出电阻为：，其增益为： （3-13）当时，上式变为 （3-14）根据米勒效应，计算输入电容为： （3-15）输出电容为： （3-16）其中，为输出级所带负载。第二节 频率补偿的分析与设计虽然

40、三级放大器有众多优势存在，但其设计难度也不小，频率补偿是其最大的难度，不仅在于其本身结构设计，更在于将其应用于LDO时，LDO的稳定性是否能够达到要求。因此研究一个三级放大器的重中之中是研究采用什么样的结构来既能保证电路的稳定性，又能使电路面积最小。本节将着重分析三级放大器的频率补偿。3.2.1 频率补偿的基础分析图3-4为一个负反馈系统，如图所示，其中Vi为闭环输入信号，f为反馈系统，Verr为开环输入信号（闭环输入信号与反馈信号的差），Vo为输出信号。图3-4 反馈系统示意图其闭环传输函数可写为： （3-17）若，则电路“增益”趋于无穷，在处，则表示在频率处产生震荡。条件可表示为： （3-

41、18） （3-19）要避免系统不稳定，必须把总的相移减至最小，以使当时，（理论值）。这就涉及到了“增益裕度（GM）”、“相位裕度（PM）”，以及“增益交点”、“相位交点”，在实际放大器设计中认为是最合适的值，图3-5为稳定系统和不稳定系统3增益和相位图。图3-5 两种系统增益相位图若系统只有一个极点，则不可能产生大于90度的相移，但常用放大器中包含有许多极点。因此，放大器通常需要对频率进行“补偿”，即放大器开环传输函数必须修正，以使闭环电路是稳定的，而且时间响应的性能也会变得良好。放大器系统的稳定性可以通过以下三种较为实际的方法可以得到：（1）采用极点分裂法；（2）采用极点复数法；）（3）采用

42、零极相消法。3.2.2三级误差放大器补偿方法介绍上世纪90年代Johan H.Huijsing提出了NMC补偿结构，自此，单级放大器的补偿方式不断进步，以增强放大器系统的稳定性、减小版图面积。下面简要分析集中电容补偿方式：1、NMC（Nested-Miller Compensation）图3-6为NMC拓扑结构4，通过两个电容和对三个极点进行分裂，如下图：图3-6 NMC拓扑结构假设寄生电容,远小于和（后面分析都有这个假设条件支撑），其传递函数5为： （3-20）它采用了极点复述法来分裂极点的方法，根据Butterworth归一化频率响应6,7，并可以得出两个米勒电容，输出电容，以及增益带宽积

43、之间的关系表达式： （3-21）这样补偿后，对三个极点复数分裂，它们的位置如下：主极点： （3-22）第二和第三极点： （3-23）另外，在还有两个零点，分别位于其左半和右半平面。 （3-24） （3-25）按上面的设计，相位裕度可在600（600以下，可能会产生振荡3）左右。但是，要满足前提条件，将消耗大量的功耗。文献8,13指出如果不满足此前提条件，那么相位裕度是达不到600的。另外由以上公式可知，大的负载电容需要较大值的补偿电容对电路进行频率补偿，然而，根据式2-21大的负载电容在很大程度上限制了增益带宽积。因此，为了增大增益带宽积电路需要小的补偿电容和较大的gmL，并且较大的gmL决定

44、了NMC三级放的稳定性9，这些都不符合LDO低压低功耗的要求，尤其是驱动较大负载的时候。因此，我们需要一种能驱动较大负载的低压低功耗的补偿方式。2、SMC（单密勒补偿）图3-7为SMC拓扑结构10,11,26，相对于NMC来说，SMC仅用一个电容就可以获得较高的带宽。并且，第一级输出和最后一级输出之间多了一个跨导gmf，在输出级形成了推挽形式，提升了放大器的瞬态响应8，具体如下图所示：图3-7 SMC拓扑结构拓扑结构中，电容Cm使第一主极点（p1）和第三个极点(p3)分裂。第二个非主极点（p2）与第二级放大器有关，且决定了放大器的稳定性。小信号分析前提假设：放大器每级增益都远远大于1；寄生电容

45、CP1，Cp2远远小于补偿电容Cm和负载电容CL；前馈级跨导gmf与第三级跨导gmL相等。传输函数为： （3-26）从传输函数中可以看出，放大器具有两个非主极点和两个零点。放大器直流增益为： （3-27）放大器主极点频率为： （3-28）因此，增益带宽积为： （3-29）通过单位增益负反馈闭环输出函数可分析SMC放大器的稳定性。由于零点位于高频处，所以可以忽略其作用。闭环传输函数 （3-30）其中， （3-31） （3-32） （3-33） （3-34）根据特征转移方程（3-30）并结合Routh-Hurwitz稳定标准，可得 （3-35）只有当上式满足时，系统才无条件稳定。对于较大的负载电容

46、，放大器的稳定性可通过极点分裂法进行分析12。前面假设，零点位于高频处可被忽略，非主极点的计算如下所示： 由传输函数可知，非主极点位于左半平面。如果，则复极点和频率峰均可避免。非主极点为： （3-36） （3-37）其中，为了稳定放大器，第二和第三级应该满足如下条件：结合上式，得 （3-38）因此，选择合适的第二级增益可以减小补偿电容的电容值。因此有助于降低功耗的条件并不要求一定要满足。零点可根据放大器传输函数的分子中二次方程求出，且与Cm有关，因为Cm很小，所以在稳定性分析中所有的零点位于高频处可以被忽略。相位裕度为： （3-39）对于比较稳定条件的，PM为500。放大器的瞬态响应包括转换速

47、率和建立时间。SMC电路中转换速率的提高是由于补偿电容的减小，建立时间的提升需要增大相位裕度，为了提高相位裕度下面将会介绍一种引入前馈级的三级放大电路。3、SMFFC（Single Miller Capacatior Feedforward Frequency Compensation）SFMMC拓扑结构如图3-8所示：图3-8 SFMMC拓扑结构示意图SFMMC采用前馈通路提供一个左半平面零点以补偿第一个非主极点。前馈通路增加了第二级的输出电流，输出电导也随着增加，推动第二级输出端极点向高频处运动。左半平面零点位于第一非主极点附近，且提供的正相位能够抵消第一非主极点的负相位。SMC的假设条件

48、同样适用于此，传输函数为： （3-40）放大器直流增益为： （3-41）放大器主极点频率为： （3-42因此，增益带宽积为： （3-43）在稳定性分析中可忽略右半平面零点，闭环传输函数为： （3-44）Routh-Hurwitz稳定性标准的条件为： （3-45）对于较大的负载电容，放大器的稳定性分析通过极点分裂法。由（3-44）可知，分子中的s2项前面是负号，s项前面是正号，则SFMMC左右半平面零点各有一个，左半平面零点比右半平面零点所处的频率低，这有助于提高频率响应。因SFMMC与SMC传输函数中分母相同，因此SFMMC非主极点与SMC一致。零点为：右半平面零点在高频处可忽略不计相位裕度为

49、：其结果为750以上相位裕度的计算采用了零极相消法则在SFMMC中，相位裕度的理论值是75度，因此，为了获得较高的带宽在不牺牲放大器稳定情况下补偿电容Cm可相对减小。继而，可提高放大器的转换速率。第三节 本章小结本章主要对误差放大器的电路结构进行分析和设计。首先分析了电路的内部基本结构，分别对输入级、中间级、输出级进行分析和设计。其次，对电路的频率补偿方法进行分析和设计，分别介绍了NMC结构，SMC结构以及SMFFC结构，并分别对这几种补偿方法的优缺点进行分析。本章主要是对第四章整体电路结构的设计做铺垫。第四章 误差放大器参数分析与仿真第一节 参数分析与计算三级放大器的增益、带宽、频率响应、P

50、SRR等都影响LDO的性能，三级放大器设计条件及指标如下：Vdd=1V,Vss=-1V CLoad=100pF,R=25KDCgain90dB Phase margin600GBW8.5MHz Power4mW根据前两章的分析，此放大器第一级采用折叠式共源共栅形式；第二级采用带恒流源负载的共源放大器；第三级采用推挽输出形式；且整个电路采用SFMMC补偿形式。具体电路图如下所示：图4-1 放大器电路图如图所示，在SFMMC中，构成一级运放，构成前馈跨导级。第二级放大器则由构成。第三增益级由构成，为前馈级。，共同构成了推挽输出级。1、第一级运放参数的计算假设，则；为留有一定裕度设。则设则 ，令 2

51、、第二级运放参数的计算根据设计规则，第二级放大器增益应该大，因为，所以大的二级增益需要较大的输入电流。设则设前馈级电流则3、第三级运放参数的计算设则4、前馈级运放参数的计算由之前假设前馈级电流可得：第二节 电路仿真1、参数仿真经过仿真验证、参数调整，各管子的参数变化情况如下21MOS管手算结构仿真调整后结果Mb1Mb2M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12M13M14Mb3Mf1Mf2参数经过调整后各级跨导分别为，。总电流，所以，总体功耗为，符合低压低功耗要求。2、增益、带宽仿真对电路进行AC扫描，三级放大器增益和相角随频率变化如下图所示：图（4-2） SFMMC三级误差放大器

52、增益相角与频率关系图上图即为三级误差放大器增益、相角与频率关系图，由图可知放大器低频增益为95.44dB。图（3-2-1）是相位裕度和f3dB的精确计算，由图知，SFMMC相位裕度为60.71，f3dB为128.5Hz。图（3-2-1） SFMMC三级误差放大器f3dB、相位裕度和单位增益带宽3、SR（Slew Rate）and Settling Time仿真转换速率和建立时间电路图如下所示：图4-3 SFMMC三级误差放大器SR和Settling Time仿真图将总电路连成（4-3）形式，Vin为周期为20us，高电平为0.1v，低电平为-0.9v的方波信号。其输出波形为：图4-4 SFMM

53、C三级误差放大器SR输出波形图将上升沿放大，具体如下图所示：图4-5 上升沿示意图所以（v/us）下降沿波形图如下所示：图4-6 下降沿示意图所以（v/us）建立时间可以计算器计算具体如下：图4-7 建立时间计算示意图在容差为2%的情况下计算上升沿和下降沿的建立时间分别为：ST+=1.24usST- =10.68us4、输入共模范围仿真输入共模范围电路图如下所示：图4-8 输入共模范围电路图图4-9 输入共模范围仿真图如上图所示，三级放大器共模输入范围为（-0.980.17）v5、输出范围仿真输出范围仿真电路图如下所示：图4-10 输出范围仿真电路图因，且可取，对直流源vin进行DC扫描，仿真

54、结果图为：图4-11 输出范围仿真结果图如上图所示，三级放大器输出范围为（-0.980.9）v6、CMRR仿真CMRR仿真电路图如下所示图4-12 CMRR仿真电路图如上图所示，vin-与输出之间接一个小信号交流源，vin+通过小信号交流源和偏置电流源接地，对小信号交流源进行AC扫描，仿真结果如下所示：图4-13 CMRR仿真结果图由仿真结果可知，低频时仿真值为-93.3dB。即，7、PSRR仿真PSRR仿真电路图如下所示：图4-14 PSRR仿真电路图如上图所示，V2直接与输出端短接，V1通过一偏置电压源接地VDD与VSS分别接一小信号电压源。对PSRR进行仿真时须分别对Vdd和Vss进行A

55、C扫描。首先对vdd进行AC扫描，其仿真结果如下所示：图4-15 PSRR仿真电路图由仿真结果可知，低频时仿真值为-90.5dB。即，同理，对vss进行AC扫描，其仿真结果如下所示：图4-16 PSRR仿真电路图由仿真结果可知，低频时仿真值为-102dB。即，综上所述，SFMMC电路结构最终参数如下所示：ParameterValueLoad (pF/K)120/25DCgain(dB)95.44GBW(MHz)8.65Phase margin60.71Power(mw)0.384Capacitor value(pF)2.76SR+(v/us)SR-(v/us)3.823.63+1%TS(us)

56、-1% TS(us)1.2410.68PSRR(dB)90.5/102CMRR(dB)93.3technology0.5um以上参数均能满足本设计的指标。第三节 本章小结基于前面电路的分析与设计，并结合所给电路的性能指标，本章一方面对电路的基本参数进行手工计算，得出各支路电流及各MOS管的宽长比。另一方面，用spectre 0.5um工艺对电路进行仿真验证并分析，得出SFMMC结构直流增益为95.44dB；相位裕度为60.71，f3dB为128.5Hz；单位增益带宽为8.65MHz；功耗为0.384mw；转换速率SR+为3.82v/us，SR-为3.63 v/us；电源抑制比为90.5/102

57、dB；共模抑制比为93dB。均符合指标要求。结 论 与 展 望近年来，随着电力电子技术的发展，电源芯片种类日益多样化，应用领域也越来越广，器件工艺随着半导体制造技术的进步不断更新，器件的尺寸不的缩小使得电子设备芯片向更高的集成度方向发展。LDO作为开关电源中常用的降压型变换器的一员，具有低成本、低噪声、低功耗等特点。其核心电路之一就是误差运算放大器，它用于放大采样信号，并将其输出到调整管的栅极，控制调整管的工作状态，使输出电压保持稳定。由于LDO和开关电源的要求，高带宽、高增益、低功耗、小面积的误差放大器一直是研究的热点。本文主要针对误差放大器的频率补偿进行研究分析。首先介绍了低压线性稳压器的内部结构和工作原理，引出误差放大器对LDO的影响。经过电路单元模块的研究,转到现有三级放大器补偿拓扑结构的研究,而本设计的核心就是对误差放大