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内容简介

《CMOS低压差线性稳压器》系统地介绍了CMOS低压差线性稳压器（LDO）芯片设计技术，包括系统结构与组成，以及基准电路、误差放大器、辅助电器等，对其中的设计关键技术，例如频率补偿、电源噪声抑制、大信号响应等技术有详细的分析。在电路理论分析的基础上，提出了低功耗LDO、无片外电容LDO以及高电源噪声抑制LDO芯片的设计方法，并有详细仿真与测试结果。《CMOS低压差线性稳压器》可作为集成电路设计、微电子、电子信息工程等专业的高年级本科生和研究生学习模拟CMOS集成电路设计的教材，也可供从事模拟集成电路设计的工程师参考。

目　　录

前言
第1章绪论
1.1 稳压器芯片
1.2 LDO芯片的基本原理
1.3 LDO芯片研究热点
1.3.1 无片外负载电容LDO芯片
1.3.2 高电源噪声抑制LDO芯片
1.3.3 新型频率补偿方案
1.3.4 优化LDO瞬态响应
参考文献
第2章 LDO的组成
2.1 基准电路
2.1.1 电压基准电路
2.1.2 电流基准电路

前言 第1章 绪论 1.1 稳压器芯片 1.2 LDO芯片的基本原理 1.3 LDO芯片研究热点 1.3.1 无片外负载电容LDO芯片 1.3.2 高电源噪声抑制LDO芯片 1.3.3 新型频率补偿方案 1.3.4 优化LDO瞬态响应 参考文献 第2章 LDO的组成 2.1 基准电路 2.1.1 电压基准电路 2.1.2 电流基准电路 2.2 误差放大器 2.2.1 误差放大器的结构 2.2.2 极点分布 2.2.3 误差放大器的增益 2.2.4 误差放大器的带宽 2.2.5 误差放大器的摆率 2.2.6 误差放大器的工作电压范围 2.2.7 误差放大器的输出电压范围 2.2.8 误差放大器的输入电压范围 2.2.9 误差放大器的频率补偿方案 2.2.10 误差放大器的电源抑制特性 2.3 功率级 2.3.1 输出电流范围 2.3.2 功率管栅源电压变化范围 2.3.3 功率级的增益 2.3.4 功率级的带宽(极点) 2.3.5 功率级的增益带宽积 2.3.6 功率管的栅电容 2.3.7 反馈电阻网络 2.3.8 片外负载电容 2.3.9 功率级的频率补偿方案 2.3.10 功率级的电源抑制特性 2.4 辅助电路 2.4.1 关断电路 2.4.2 启动电路 2.4.3 摆率增强电路 2.4.4 片外电容放电电路 2.4.5 限流电路 2.4.6 短路保护电路 2.4.7 过温保护电路 参考文献 第3章 基准电路 3.1 电压基准电路 3.1.1 带隙电压基准的基本原理 3.1.2 利用PTAT电流产生基准电压 3.1.3 在运放的输出端产生基准电压 3.1.4 两种结构的性能比较 3.1.5 高电源抑制电压基准 3.2 电流基准电路 3.2.1 与电源无关电流基准电路的基本原理 3.2.2 理论与实际的差距 3.2.3 改善电流基准电路的电源抑制特性 3.2.4 利用不同电阻温度特性和二极管的反向电流减小基准电流的温漂系数 3.2.5 全CMOS电流基准电路 参考文献 第4章 误差放大器和功率级 4.1 第二级放大器结构 4.1.1 电源电压对第二级放大器的影响 4.1.2 第二级放大器的输出范围 4.1.3 高/低压MOS管和共源共栅结构 4.2 第一级放大器结构 4.2.1 第一级放大器输入管类型 4.2.2 第一级放大器负载MOS管和第二级放大器输入管的关系 4.2.3 折叠结构第一级放大器 4.2.4 利用共源共栅管屏蔽输入管的寄生电容 参考文献 第5章 频率补偿 5.1 固定零点频率补偿方案 5.1.1 早期LDO频率补偿方案 5.1.2 单位增益频率补偿模块 5.2 极点-极点追踪频率补偿方案 5.3 零极点追踪电路 5.3.1 Kwok和Mok的零点-极点追踪频率补偿方案 5.3.2 受控电阻生成电路 5.3.3 带去零电阻的单米勒电容 5.3.4 利用单位增益补偿模块的零点-极点追踪频率补偿方案 5.3.5 包含伪ESR电阻的功率级 参考文献 第6章 电源噪声抑制 6.1 单级放大器电源噪声抑制特性 6.1.1 NMOS管输入差分放大器 6.1.2 NMOS管输入共源级放大器 6.1.3 NMOS管输入源跟随器 6.1.4 PMOS管输入差分放大器 6.1.5 PMOS管输入共源级放大器 6.1.6 PMOS管输入源跟随器 6.2 LDO电路结构与电源噪声抑制特性 6.2.1 同时优化三个放大器的电源噪声抑制特性 6.2.2 第二级放大器和功率级所提供的电源噪声相互抵消 6.2.3 第一级放大器和第二级放大器所提供的电源噪声相互抵消 6.2.4 三级放大器提供的电源噪声相互抵消 参考文献 第7章 LDO大信号响应和摆率增强电路 7.1 LDO的大信号响应 7.1.1 在LDO输出端产生过冲电压 7.1.2 误差放大器输入电压范围和最大输出电流 7.1.3 第一级放大器对第二级放大器输入管栅电容充放电 7.1.4 第二级放大器对功率管栅电容充放电 7.1.5 摆率增强电路的工作机理和大信号振荡 7.2 摆率增强电路 7.2.1 以比较器为核心的摆率增强电路 7.2.2 侦测第一级差分放大器支路电流变化的摆率增强电路 7.2.3 以微分器为核心的摆率增强电路 7.2.4 零延时摆率增强电路 参考文献 第8章 辅助电路 8.1 关断电路 8.2 启动电路 8.3 片外电容放电电路 8.4 限流电路 8.5 短路保护电路 8.6 过温保护电路 参考文献 第9章 LDO设计实例 9.1 低功耗LDO芯片 9.1.1 设计要点 9.1.2 低功耗LDO设计方案 9.1.3 芯片测试 9.2 无片外电容LDO芯片 9.2.1 设计要点 9.2.2 无片外电容LDO设计方案 9.2.3 芯片测试 9.3 高电源噪声抑制LDO芯片 9.3.1 设计要点 9.3.2 高电源噪声抑制LDO芯片设计方案 9.3.3 芯片测试 参考文献

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第1 章　绪　　论
消费类电子产品已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，手机、MP4 、
PDA 和笔记本电脑等便携式电子设备在生活中扮演着重要角色。电源管理芯片
在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。电
源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接
的影响。在上述消费类电子产品中，如果所使用的电路要求电源有高的噪声和纹
波抑制，并要求占用PCB 板面积小（如手机等手持电子产品），电路电源不允许
使用电感器（如手机），电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压
器压降及自身功耗低，线路成本低且方案简单，那么低压差线性稳压器（ LDO）
是最恰当的选择。这种电源包括如下技术：精密的电压基准，高性能、低噪声的
运放，低压降调整管，低静态电流。本书的目的是分析研究LDO 电路的设计要
点，并针对不同的应用环境设计出具有针对性的LDO 芯片。
1.1 　稳压器芯片
随着节能成为当今世界的重大课题，在能源化工、机械制造以及航运等领域
各种节能减排技术不断推陈出新。除了这些令人联想到噪声轰鸣的行业，作为世
界经济重要支柱之一的信息技术应用领域的能耗在全球范围内也是非常惊人的。
凌力尔特公司电源产品部产品市场经理Tong Armstrong 在接受?中国电子报?
记者采访时做了形象的说明： “以分发数以百万计的YouTube 视频并保持经济运
行的服务器功耗为例，在2000 年至2005 年间，其用电量翻了一番，到2010 年

第1 章　绪　　论
 消费类电子产品已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分， 手机、MP4 、
 PDA 和笔记本电脑等便携式电子设备在生活中扮演着重要角色。电源管理芯片
 在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。电
 源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的， 其性能的优劣对整机的性能有着直接
 的影响。在上述消费类电子产品中， 如果所使用的电路要求电源有高的噪声和纹
 波抑制， 并要求占用PCB 板面积小（如手机等手持电子产品） ， 电路电源不允许
 使用电感器（如手机） ， 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能， 要求稳压
 器压降及自身功耗低， 线路成本低且方案简单， 那么低压差线性稳压器（ LDO）
 是最恰当的选择。这种电源包括如下技术： 精密的电压基准， 高性能、低噪声的
 运放， 低压降调整管， 低静态电流。本书的目的是分析研究LDO 电路的设计要
 点， 并针对不同的应用环境设计出具有针对性的LDO 芯片。
 1.1 　稳压器芯片
 随着节能成为当今世界的重大课题， 在能源化工、机械制造以及航运等领域
 各种节能减排技术不断推陈出新。除了这些令人联想到噪声轰鸣的行业， 作为世
 界经济重要支柱之一的信息技术应用领域的能耗在全球范围内也是非常惊人的。
 凌力尔特公司电源产品部产品市场经理Tong Armstrong 在接受?中国电子报?
 记者采访时做了形象的说明： “以分发数以百万计的YouTube 视频并保持经济运
 行的服务器功耗为例， 在2000 年至2005 年间， 其用电量翻了一番， 到2010 年
 再上升了近75 % 。在2005 年， 为了使如Google 、Microsoft 和Yahoo 等因特网
 巨头所拥有的世界数据中心保持在线状态， 其耗电量相当于14 家10 亿W 电厂
 的总发电量。仅美国的服务器群所消耗的电力就需要5 家上述巨型发电厂昼夜不
 停地运转。2005 年， 美国服务器群的耗电量达到了美国当年总发电量的1.2 % 。
 这部分能耗的公用事业费为27 亿美元。可见， 单就美国的服务器群而言， 能耗
 在此水平下降1 % 将意味着每年可以节省2700 万美元！” 由此可见， 随着信息技
 术的不断进步， 电源管理也越来越受到重视。
 电源管理芯片包含的种类繁多， 以2009 年中国电源

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