隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展,，電源管理解決方案不斷追求高效率,、小占位面積、低成本,，這使得低壓降（LDO,，LowDropout）線性穩(wěn)壓器越來越受歡迎。應(yīng)用于電池供電的產(chǎn)品中,，低漏失電壓特性保證了電池使用效率高,，而且效率將隨著電池電壓的下降而上升；低靜態(tài)電流特性保證了電池使用時間長,。本文中設(shè)計的LDO線性穩(wěn)壓器，典型情況下100 mA負(fù)載時漏失電壓為180 mV,，靜態(tài)電流為800μA,，空載時漏失電壓僅為5 mV，靜態(tài)電流為35μA,；而且設(shè)置了使能開關(guān)引腳,，在使能開關(guān)引腳被拉低時，穩(wěn)壓器處于休眠模式,，此時靜態(tài)電流＜1μA,；另外，該穩(wěn)壓器還具有過溫,、過流保護功能,。
1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該穩(wěn)壓器包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路,、調(diào)整元件,、基準(zhǔn)源、誤差放大器,、反饋電阻網(wǎng)絡(luò),，保護電路等。為了實現(xiàn)LDO特性穩(wěn)壓器調(diào)整元件采用一種自由集電極的縱向PNP管,，過溫過流保護電路也采用了特殊的結(jié)構(gòu),。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)加電,，如果使能腳處于高電平時,，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置,，基準(zhǔn)源電壓快速建立,，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達到規(guī)定值時,，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值,，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出,，從而形成負(fù)反饋,，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上；同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化,，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變,。
如果使能腳處于低電平，電路將處于休眠狀態(tài),。
2 啟動電路,、恒流源偏置電路和使能開關(guān)電路
啟動電路是為了使恒流源偏置電路開始工作，從而給整個電路建立正常的工作點,。使能高電位臨界值設(shè)為1．4 V,，使能低電位臨界值設(shè)為0．5 V。當(dāng)使能電壓VEN＞1．4 V時,，電流源給基準(zhǔn)源和誤差放大器提供偏置,，電路處于穩(wěn)壓工作狀態(tài)；當(dāng)使能電壓VEN＜0．5 V時,，啟動電路將使電流源關(guān)閉,，基準(zhǔn)源和誤差放大器的偏置電流為零，導(dǎo)致整個電路處于截至狀態(tài),，此時電路的靜態(tài)電流將會很?。ǎ?μA）,，這種狀態(tài)就稱為穩(wěn)壓器休眠模式。根據(jù)上述原理,，這部分的電路設(shè)計如圖2所示,。
Q14，Q15,，R9,，R8構(gòu)成的微電流源作為啟動電路，大電阻R9確保很小的引腳電流（一般為幾μA）,，Q14使電流源啟動,，Q5使誤差放大器、調(diào)整管等電路啟動,。橫向PNP晶體管Q7,，Q8組成的電流鏡給基準(zhǔn)源提供偏置，而與調(diào)整管同類型的Q2則是給誤差放大器提供電流偏置,。使能開關(guān)電路由橫向PNP晶體管Q9A和Q9B組成,，Q6使Q9B的發(fā)射極電位為VREF＋0．7 V＝1．93 V；而Q9A的發(fā)射極電位為VFB＋0．7 V＝1．93V,。這樣當(dāng)VEN＞1．4 V時,，Q9A和Q9B完全截至，使能電路失去作用,，電路正常穩(wěn)壓工作,；同理由Q15可決定穩(wěn)壓器休眠模式時，VEN＜0．5 V,。
3 調(diào)整管
如圖3所示LDO線性穩(wěn)壓器簡化的結(jié)構(gòu)圖,，穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流（Iq）主要由調(diào)整管的基極驅(qū)動電流決定，該值越小,，則穩(wěn)壓器自身消耗的電流越小,，電源電流轉(zhuǎn)換的效率就越高；漏失電壓（VDROP）指輸出電壓在容差范圍內(nèi)的最小輸入輸出壓差,，該值越小,，則電源電壓轉(zhuǎn)換效率越高。對于采用PNP調(diào)整管的LDO線性穩(wěn)壓器,，Iq≈IDRV＝IO／β（β為PNP的電流放大倍數(shù)），VDROP＝VSAT（VSAT為PNP的飽和壓降）［1］,。由于在現(xiàn)有工藝下,，一般橫向PNP的電流放大倍數(shù)為50左右，參數(shù)漂移較大,；VSAT的性能也不好,。此設(shè)計采用了某工藝下一種自由集電極的縱向PNP,，標(biāo)準(zhǔn)單管在集電極電流為－100μA、集電極與發(fā)射極壓差為－5 V時,，β為160,，上下漂移50；在集電極電流為－100μA,、集電極與基極電流比為10時,，VSAT為30 mV左右。因此這種自由集電極的縱向PNP非常適合作調(diào)整管,。單管的版圖剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示,。漏失電壓和靜態(tài)電流電流特性如圖5、圖6所示,。
4 基準(zhǔn)電路
由式（1）可知,，基準(zhǔn)電壓對于LDO線性穩(wěn)壓器來說是至關(guān)重要的。本設(shè)計采用了輸出為1．23 V高精度,、低溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu),，這也表征了穩(wěn)壓器輸出也會有高精度、低溫度系數(shù)特性,。根據(jù)雙極型帶隙基準(zhǔn)電路的基本原理［2,，4］，設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)如圖7所示,。
Q15,，Q18，R13構(gòu)成VT（VT＝KT／q,，稱為熱電壓）發(fā)生器,，Q19，Q16和Q17構(gòu)成的電流源精確地保證Q15和Q18的集電極電流相等,。Q15,，Q18的發(fā)射區(qū)面積比為1／10，則他們的結(jié)飽和電流IS之比為1／10,，因此Q15,，Q18的BE結(jié)壓差ΔVBE為：
其中：VBE為負(fù)溫度系數(shù)，VT為正溫度系數(shù),。
5 誤差放大器
電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率是穩(wěn)壓器重要的質(zhì)量參數(shù),，他們分別表示了輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化穩(wěn)壓器維持輸出在規(guī)定值上的能力,。根據(jù)LDO線性穩(wěn)壓器的基本原理［1,，3］，他們與誤差放大器的直流開環(huán)增益成反比,。因此誤差放大器的跨導(dǎo)越大,，穩(wěn)壓器的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能越好,。另外從圖1中可知誤差放大器的輸出電流直接驅(qū)動PNP管，所以誤差放大器必須能夠提供足夠大的輸出驅(qū)動電流,，并且輸出驅(qū)動電流必須能跟隨負(fù)載的變化,，該誤差放大器的偏置電流源也必須能隨著負(fù)載的變化，而誤差放大器本身必須在負(fù)載變化時,，仍處于放大狀態(tài),，保持強烈
的負(fù)反饋從而實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。
根據(jù)以上所述,，本文給出如圖10所示的設(shè)計電路,，誤差放大器輸出電流在小電阻R6上的壓降控制Q4的動態(tài)負(fù)載，當(dāng)穩(wěn)壓器輸出負(fù)載電流增大,，則誤差放大器輸出電流增大,，R18上的壓降升高，而使動態(tài)負(fù)載增大,，這樣才能給調(diào)整管提供更大的驅(qū)動電流,。此設(shè)計的誤差放大器的差分輸入對管與調(diào)整管同為自由集電極的縱向PNP，這使誤差放大器具有高傳輸跨導(dǎo),，低輸入失調(diào)［5］,。
6 過溫過流保護電路
過溫過流保護電路對于LDO線性穩(wěn)壓器來說是必要的。當(dāng)穩(wěn)壓器工作溫度超過允許的最高結(jié)溫時,，過溫保護電路使穩(wěn)壓器停止工作,，從而不產(chǎn)生功耗，實現(xiàn)了降溫,，防止了穩(wěn)壓器燒壞,；當(dāng)穩(wěn)壓器因短路或其他原因使輸出電流過大時，過流保護電路使穩(wěn)壓器迅速減流,，以防因電流過大而使穩(wěn)壓器損壞,。本設(shè)計中穩(wěn)壓器最高工作溫度為125℃，輸出限制電流為200 mA,，電路形式如圖11所示,。常溫下，Q12的BE結(jié)電壓被設(shè)為低于他的導(dǎo)通壓降,，當(dāng)溫度升高時,，NPN管的導(dǎo)通壓降以約2 mV／℃下降，因此A點電位隨著溫度的升高而不斷升高,，直到Q12管導(dǎo)通,，此時誤差放大器的偏置電流，全被拉向Q12,，這樣誤差放大器將停止工作而使調(diào)整管無驅(qū)動,，輸出為零。
過流保護電路與過溫保護電路有點類似,，在穩(wěn)壓器的工作電流范圍內(nèi),，Q11截至，當(dāng)穩(wěn)壓器輸出電流增大到200 mA時,，此時調(diào)整管的基極電流將達到2 mA,，電流檢測電阻R7上的壓降將使Q11導(dǎo)通，形成負(fù)反饋,，把輸出電流限制在這個值上,。
7 結(jié) 語
LDO線性穩(wěn)壓器主要應(yīng)用于便攜式的電子產(chǎn)品中，而且日益廣泛,。CMOS型的LDO線性穩(wěn)壓器也正在發(fā)展中,，但是他存在著CMOS工藝本身帶來的弱點，而且由于PMOS調(diào)整管有較大的柵極寄生電容,，使得穩(wěn)定性補償不易控制,。本文從穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，對每個模塊都進行了詳細(xì)的分析和設(shè)計,，采用某雙極工藝,，實現(xiàn)的LDO線性穩(wěn)壓器具有低漏失電壓、低靜態(tài)電流特性,，將具有很好的應(yīng)用前景,。