LDO实习报告（免费）-有完整电路版图

LDO实习任务书

实习目的： 了解LDO电路研究现状和原理结构，熟悉模拟电路设计流程。

week1 ：调研LDO应用情况及研究现状。

week2 ：熟悉LDO基本原理及组成。

week3 ：构建LDO电路。

week4 ：对LDO进行仿真形成实习报告。

Week1 调研LDO应用情况及研究现状

1.1 应用

1.1.1 LDO 由于具有低噪声、低功耗、结构简单及封装尺寸较小的优点，在便携式电子产品中作为电源转换电路得到了广泛的应用。

1.1.2 各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压，通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的功率较低，因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时，由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近，因此在蓄电池接近放电完毕时，仍可保证输出电压稳定。如图1-1（b）所示。

1.1.3 众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。如图1-1（c）所示

1.1.4 在某些应用中，比如无线电通信设备通常只有一足电池供电，但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量，通常设备不工作时，都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此，要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图1-1（d）所示。

总结来说LDO主要的应用为电脑；电池充电器；SCSI-II主动终端；移动电话；无绳电话；电池供电系统；便携式设备；开关电源的后置稳压器等等。

1.2 研究现状

1.2.1 目前，在国外，采用NPN工艺进行设计的LDO线性稳压器逐渐呈现出衰退趋势。而采用PNP工艺进行设计的还保持了一定的市场份额;采用PMOS工艺设计的主要应用于7V以内；DMOS工艺用在床差电压要求很高的领域；基于BCD工艺设计的LDO线性稳压器也开始了批量生产；许多LDO线性稳压器的典型产品大都采用先进而成本低的CMOS工艺，先进的生产技术赋予产品优良的性能。对于PNP和NPN双极工艺产生大的压差和功耗大的问题，国外的专家做了大量的研究，包括修改传输器件的结构或采用NMOS、PMOS及CMOS技术，在保证更低功耗的前提下大幅度降低输入输出电压差；当压差降至600mV以内时，LDO线性稳压器才真正进入了低压差时代。然而在军事和一些特殊的应用领域，采用双极和BiCMOS工艺进行设计的线性稳压器依然具有其他LDO产品不可替代的优点，如在具有较高功率要求但对压差电压要求不高的领域以及在对性价比高的、汽车电子等一些大规模生产的领域具有一定优势，保持着自己的生存与发展空间。

1.2.2英飞凌股份有限公司是全球第二大汽车半导体供应商，占据着全球汽车半导体的很大一部分市场，它在全球范围内率先生产出用于汽车娱乐信息、系统有源天线的TLF4277单片稳压器，具有电流监控的功能，同时还能够在一定范围内任意调节负载电流的大小，从而调节输出电压的大小，能够有效的提高汽车无线电装置的可靠性。TLF4277的监控功能可以轻松的检测出器件的故障并且完成故障分析报告，同时针对日常的故障问题专门增加了系统的过温，过流等保护电路。

1.2.3奥地利微电子公司推出了AS1355系列的线性稳压器，可以为多路，可调电压的应用提供解决方案，它的最大的输出电流可以达到几百个毫安。 AS1355组合了经过优化的高效率的可编程电源，使得静态的输出电流和输出电压的稳定性能达到一个很好的折衷，它可以广泛的应用在移动电话，PDA ，MP3等便携式电子设备当中。并且AS 1355可以工作在低压的条件下，尽管晶体管工作在线性区，但是它的调节性能依然好，同时它的抗噪声能力很强，无需滤波电路就可以直接和与噪声敏感的电路相连接。奥地利微电子公司推出的AS1364低压差线性稳压器，工作电压范围在1.2V-5V，在1A的负载电流下，它的静态电流相当小，只达到几十个纳安，并且关断电流也只有几个纳安。奥地利微电子公司还推出一款AS1371低压差线性稳压器，它的最低工作电压可以降低到1.2V，驱动的最大负载电流可以达到400mA, AS 1371可以工作在几个状态之下，它能够提供20mV/100mA,80mV/400mA的指标，并且在最大负载电流的工作环境下只提供很小的静态电流，可以有效的增加电池的寿命，它可以广泛的应用在GPS系统和蓝牙当中。奥地利微电子公司还推出一款双路AS1374低压差线性稳压器，它有两个输出回路，每一路的负载电流可达到200mA。AS 1374可以广泛的应用在RF，手机相机，GPS，无线基站和PA偏置等需要低噪声电源的设备当中。AS 1374的工作电压在2 V ~5V范围内，它每一路的输出电流可以达到200mA，同时它的Dropout电压可以低至120mV，同时还可以提供1.2V ~ 3.6V的可编程输出电压，它的电源抑制比也可以达到

接近90dB。

1.2.4飞兆半导体公司设计的FAN2564低压差线性稳压器，转换效率高，速度快，芯片占有面积小。FAN2564的最低Dropout电压为几十个毫伏，并且可以工作在低至1.8V的电源电压下，具有很高的线性转换效率。它在没有负载电流的工作条件下，静态电流为4μ

A，线性瞬态响应速度很快，可以广泛的应用在医疗，计算机当中。ADI公司也推出了ADP1740, ADP1741, ADP1752, ADP1753, ADP1754等低压差线性稳压器，它们可以提供800mA~2A的负载电流，转换效率高，电源抑制比可到100dB，散热少，可以广泛的应用在医疗成像设备，服务器，基础设施，办公自动化和工业当中。麦克雷尔公司推出的MIC5313, MIC5314, MIC5315, MIC5316系列低压差线性稳压器，可以工作在1.7V的低压环境下，并且静态电流低至45微安。它是一个双路结构，每一路的负载电流都可以达到300mA，并且Dropout也只是几十个毫伏，同时它可以提高很高的转换效率，很大程度上的降低静态电流。

1.2.5以下是以市场上最常用的1117系列进行实测，分别从产品型号；产品公司；产品价格；实测输出精度；实测波纹；实测动态响应进行测评。其中实测输出精度和实测波纹分别测试了其空载和满载的情况。如表1-2所示。

产品型号	产品公司	产品价格/￥	实测输出精度/V	实测纹波/mV	实测动态响应/mV
AMS1117	AMS	0.2	3.3~ 3.33	17.6~ 19.2	344
TLV1117	德州仪器	3.37	3.26~ 3.27	16.2~ 18.4	97
NCP1117	安森美	1.8	3.3~ 3.31	15.8~ 16.8	134
ME1117	微盟	0.77	3.26~ 3.28	16.7~ 17.6	216
CJT1117	长晶	0.52	3.32~ 3.33	16.2~ 16.8	172

表1-2 1117系列测试

Week 2 调研LDO应用情况及研究现状

2.1 LDO组成

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电流发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压。如今的LDO电路具有体积小，噪声低功耗低，价格低廉，使用方便等特点，其基本的结构比较简单。

2.1.1 LDO基本结构

LDO由最基本的四个模块组成分别是误差放大器、功率器件、基准电路以及辅助电路组成。其中误差放大器和功率器件，它们通过一个电阻反馈网络构成一个负反馈闭环系统。基准电路路为 LDO芯片提供基准电压和基准电流。辅助电路通常用来实现芯片启动上电、过流保护、短路保护以及过热保护等功能。如图2-1所示。

图2-1 LDO结构框图

LDO中的基准电路组成

基准电路需要为误差放大器提供基准电压VREF

和基准电流IREF

。因此基准电路通常包含电压基准电路和电流基准电路两个模块。

2.1.3 LDO中的误差放大器组成

误差放大器是 LDO系统中最重要的模块，其影响着输出电压的精度，负载电流或电源电压突变时 LDO 的瞬态响应时间和过冲电压。误差放大器是差分输入单端输出，因此一个带电流镜负载的运算放大器是误差放大器的必要组成部分。在带电流镜负载的运算放大器之后通常级联一个单级放大器，单级放大器可以是用来提高增益的共源级放大器，也可以是降低误差放大器输出阻抗的源跟随器。如图2-2所示。

图2-2 误差放大器结构

2.1.4 LDO中功率级的组成

LDO系统中的功率级是由功率管，反馈电阻网络，片外负载电阻和片外负载电容构成的。因为LDO输出电压不变，因此在负载电阻变化时，LDO的输出电流也跟着发生变化。同时因为功率管的滑源电流基本等于LDO的输出电流，因此功率管的跨导、输出阻抗等参数随输出电流有较大的变化。

2.1.5 LDO中辅助电路的组成

LDO系统中还包含很多辅助电路来增强LDO的性能或者保护芯片在极限情况下不受到损害。常用的辅助电路有关断电路、启动电路、摆率增强电路、片外电容放电电路、限流电路、短路保护电路和过温保护电路。

2.2 LDO基本原理

2.2.1 LDO电路基本原理

LDO芯片的核心模块是上图 2-3中的误差放大器和功率器件，它们通过一个电阻反馈网络构成一个负反馈闭环系统。当 LDO输出端电压下降时，通过电阻反馈网络提供反馈信号，误差放大器同向输入端的电压上升，并通过和误差放大器反向输入端的基准电压进行比较，调整误差放大器输出信号Vopout

，从而驱使功率器件对外提供更多的电流，抬升LDO的输出电压;反之，当LDO输出端电压下降时，通过电阻反馈网络提供反馈信号，误差放大器同向输入端的电压下降，并通过和误差放大器反向输入端的基准电压进行比较，调整误差放大器输出信号Vopout

，驱使功率器件减少对外提供的电流，拉低LDO的输出电压。LDO对输出电压变化的响应速度受到误差放大器带宽和摆率的限制和影响。

在LDO芯片中，除了误差放大器和功率器件之外，通常还需要两个电路模

块。分别是基准电路和辅助电路。基准电路为LDO芯片提供基准电压和基准电

流。随着带隙电压基准的出现，由于其精确性和较小的温漂系数，从而成为LDO芯片中使用最广泛的基准电压生成电路。LDO芯片中的辅助电路，通常用来实现芯片启动上电、过流保护、短路保护以及过热保护等功能，以满足LDO芯片和使用LDO芯片的电子系统能正常工作，并避免误操作带来的损害。如图2-3所示

图2-3 LDO典型结构及组成

2.2.2 LDO基准电路原理

基准电路通常包含电压基准电路和电流基准电路两个模。首先将阐述带隙电压基准的基本原理。带隙电压基准的基本原理是将两个拥有相反温度系数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。如图2-4所示。

设电压V+

拥有正温度系数，电压V-

拥有负温度系数，存在合适的权重α和β，使得满足。如式（2-1）所示。

α∙∂V+∂T+β∙∂V-∂T=0

（2-1）

这样就得到具有零温度系数的基准电压，式（2-2）为基准电压的基本表达式。如图2-4所示。如式（2-2）所示。

VREF=α∙V++β∙V-

（2-2）

图2-4 带隙电压基准的一般原理

在电源电压无关的电流基准原理中，由于M1

和M2

管是电流镜的关系，假设流过M1

和M2

管的漏源电流完全相同，则此时流过M1

和M2

管的漏源电流为如式（2-3）所示。

IOUT=2μnCOXWLN1RS2(1-1K)2

（2-3）

式（2-3）中，K是NMOS管M3

和M4

宽长比的比值。从式（2-3）中可以看出，图中给出的电流基准电路产生的基准电流和电源电压无关。如图2-5所示。

图2-5 电流基准原理图

2.2.3 LDO基准误差放大器和功率级原理

误差放大器和功率级构成了LDO的主环路，其性能影响着LDO的系统稳定性、输出电压精度、瞬态响应以及输出电压电源抑制特性等主要性能。

误差放大器主要通过极点分布、误差放大器的增益、带宽、摆率、工作范围、输入以及输出电压范围、频率补偿以及电源抑制特性来说明误差放大器的性能。

功率级是由功率管，反馈电阻网络，片外负载电阻和片外负载电容构成的功率极电路。其主要关注输出电流范围、功率管栅源电压变化范围、增益、带宽（极点）、增益带宽积、栅电容、反馈电阻网络、片外负载电容、频率补偿以及电源抑制特性。如图2-6所示。

图2-6 两级误差放大器和功率级

以下将分别从放大器的两级讲解影响放大器性能的因素。首先是源电压对第二级放大器的影响。我们从资料中可知在第二级放大器中不适合选用NMOS管做输入管的源跟随器结构;并且当电源电压小于2倍的PMOS管阈值电压时，第二级放大器也无法采用PMOS管做输入管的源跟随器结构。

在第二级放大器的输出范围中，对于功率管而言，更关心的是第二级放大器的最低输出电压。这是因为在最低电源电压和最大输出电流情况下，功率管的栅端电压达到最低值，为了保证LDO系统能够正常工作，功率管的栅端电压的最小值需要大于VO2

的最小值，其数学表达式为如式（2-4）所示。

VGG,POWIOUT=maxVDD=min>VO2,min

（2-4）

在第二级高/低压MOS管和共源共栅结构共源共栅结构可以提高放大器等效输出阻抗，但是会消耗额外的电压余量，从而减小放大器输出电压范围。

第一级放大器需要的是电流镜负载的差分放大器。从大类上分为套简式结构和共源共栅结构。进一步根据输入MOS管类型、负载电流镜MOS管类型、是否使用共源共栅管等选择可以组成很多种结构。正是由于第一级放大器结构的多样性，才能在各种工作点情况下将反馈电阻网络和第二级放大器连接起来，形成负反馈闭环环路来稳定LDO的输出电压。

在确定第一级放大器输入管类型中，从图2-5第一级放大器的输人端分别和基准电压VREF