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| 《航海医学》 |
| 作者:王忆、何乐年 |
| 出版社：科学出版社 |
出版日期：2012/6/1 |
| ISBN：9787030347152 |
定价： 55.00元 |
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编辑推荐
在数百年海洋开发过程中，人类清楚地认识到，浩瀚的海洋不仅是交通运输业的廉价渠道，并且蕴藏着极为丰富的生物、矿产、能源、盐、海水、淡水、空间、港口、滩涂和旅游等资源。我国是海洋大国，拥有海洋国土约300万平方公里，总量列世界第10位，但人均占有量仅列第122位。我国有1.8万多公里长的大陆海岸线；有1.4万多公里长的岛屿岸线；面积大于500平方米的岛屿有6500多个。我国海洋资源丰富，有巨大的开发潜力……《航海医学》(作者姜正林)共有8章，主要内容包括绪论、船舶卫生与疾病防疫、航海疾病、航海急救医学、远程医疗、航海心理学、潜水医学和海洋药物。
内容推荐
《航海医学》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。
《航海医学》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。
作者简介
无
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
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
在线试读部分章节
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 年中国电源管理芯片市场产品结构
为例(图1-1) ， 电源管理芯片可以归结为12 个大类， 其中线性稳压器、开关稳
压器(DC/DC) 、驱动芯片(Driver) 以及电源管理单元(PMU) 占据了大半江
山。而在这几个主要种类中， 线性稳压器又占据了最大的市场份额。表1-1 给出
了几种主要的便携式设备用稳压器IC 的性能比较。
1.2 LDO 芯片的基本原理
LDO 是模拟集成电路中， 利用负反馈机制进行线性实时控制的一个典型系
统。图1-2 给出了一个典型的LDO 结构框图。在图1-2 中， 最基本的LDO 芯片
包含三个引脚， 分别是输入电压VIN ， 输出电压VOU T 和地GND 。其中输入电压
还作为LDO 芯片内部的电源电压VDD 使用。LDO 芯片的外围电路主要包括输入
电压端和输出电压端的两个电容CIN 和CL ， 以及连接到LDO 芯片输出端的负
载RL 。
LDO 芯片的核心模块是图1-2 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VOPOU T ， 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VOPO U T ， 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。
在早期的LDO 芯片中， 主要采用三极管工艺， 因此不论是LDO 芯片的静
态功耗还是输入/输出电压之间的差值都较大。后来随着工艺的进步和CMOS 器
件的出现， 以PMOS 管作为功率器件， 并利用CMOS 器件搭建误差放大器成为
LDO 芯片设计的主流， 至此LDO 芯片的静态电流最低下降到4μ A 以下， 输入/
输出电压差仅为50mV 。由于这两个重要指标的进步， LDO 芯片被便携式电子
器件广泛采用。
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， 在早期的设计中， 基准电压可以通过齐纳二极管获得； 后来随着带隙电压基
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。
LDO 芯片中各个电路模块的具体参数和设计指标将在第2 章中给出。
1.3 LDO 芯片研究热点
随着片上系统SoC ， 以及手机、笔记本等消费类电子的发展与进步， LDO
芯片的设计热点也从之前的低功耗、大负载电流转移到目前的高电源噪声抑制
(PSR) 和全片内集成上来。目前LDO 芯片的研究热点如下。
1.3.1 无片外负载电容LDO 芯片
在传统的LDO 芯片中， 在芯片输出端需要添加片外负载电容CL (图1-2)
来抑制输出过冲电压， 并起到稳定LDO 内部环路的作用。由于LDO 的输出电
压具有低噪声、低纹波、无电磁干扰(EMI) 的特性， 在大量SoC 芯片或模数/
数模转换芯片中， 都用LDO 作为一个内部模块为后续噪声敏感电路提供稳定而
低噪的工作电压。在这种应用情况下， 如果LDO 的输出端需要片外负载电容，则在上述SoC 等芯片中需要为LDO 输出端留出专门的引脚与外部电容器件相
连， 这样不仅浪费了芯片面积， 还增加了PCB 板的面积以及使用片外电容所带
来的额外开销。进一步， 当SoC 芯片中需要多个LDO 模块来为不同的子模块供
电时， 由于输出电压的独立性， 需要为上述每一个LDO 模块提供独立的芯片引
脚和片外负载电容， 从而造成了系统成本的显著上升。为了解决这一问题， 无片
外负载电容的LDO 芯片成为目前的一个研究热点。
1.3.2 高电源噪声抑制LDO 芯片
随着信息技术的进步和手机3G 网络的普及， 新一代的便携式通信设备能在
更短的时间内、更窄的带宽上以及消耗更少的能量来传递更多的信息。这就对其
连接自然世界与数字处理芯片之间的模数/数模转换电路提出了更高的要求， 不
仅需要它们工作在更高的频率上， 还需要拥有更高的信噪比。电源上的杂波作为
噪声的一种， 影响着模数/数模转换器的性能。因此如何在更高频段内抑制电源
噪声， 成为为模数/数模转换器供电的LDO 芯片一个主要研究热点。
1.3.3 新型频率补偿方案
无片外负载电容和高电源噪声抑制成为目前LDO 研究的两个热点， 它们显
著改变了LDO 芯片的外部电路和零极点分布。因此运用传统LDO 设计的频率
补偿方案， 例如， 米勒电容补偿、片外负载电容寄生串联电阻(ESR) 补偿， 都
不再适用于目前的热点LDO 结构。因此， 需要新型的频率补偿方案以满足在无
片外负载电容和高电源噪声抑制前提下LDO 环路的稳定性。
1.3.4 优化LDO 瞬态响应
当LDO 负载电流或供电电压跳变时， 会造成LDO 输出电压的变化。随后
LDO 芯片通过自身的线性负反馈系统使得输出电压重新回到稳定值， 这一响应
过程称为LDO 瞬态响应。在LDO 瞬态响应中有两个重要指标， 过冲电压和恢
复时间。前者决定了LDO 输出电压的最大变化， 对于某些数字电路而言， 当供
电电压大于标准电压的10 % 时会造成MOS 管的击穿， 从而使得芯片失效； 后者
决定了LDO 输出电压重新恢复到稳定值所需要的时间。
LDO 的瞬态响应不仅由LDO 环路的小信号特性决定， 还涉及LDO 环路中
各级放大器对其负载电容进行充放电所造成的大信号响应。因此如何协调误差放
大器中带宽、摆率以及功耗之间的关系， 添加辅助电路以改善大信号响应等都成
为目前LDO 研究的一个热点。
参考文献
陈东坡， 何乐年， 严晓浪.2006.一种低静态电流， 高稳定性的LDO 线性稳压器.电子与信息学报，28 (8) ： 1526-1529.
冯晓伟.2008.电源系统芯片市场稳中有升技术突破不应忽视成本因素.http ：// news.ccidnet.com/art/
1032/20080124/1352767 ＿ 1.html.
杨洪强.2008.电子系统朝高可靠性方向发展电源管理芯片是根基.赛迪网中国电子报.
与非网.2009.2009 年上半年中国电源管理芯片市场回顾.http ：// w w w.ic37.com/ htm ＿ news/2009 ＿ 9/
203827 ＿ 908346.htm.
Falconi C ， D摧Amico A ， Scotti G ， et al.2008.Dual op amp ， LDO regulator with power supply gain suppres-
sion for CMOS smart sensors and Microsystems.IEEE International Symposium on Circuits and Systems ，(06) ： 2470-2473.
Wang Y ， Cui C R ， Gong W C ， et al.2008.A CMOS low-dropout regulator with 3.3 μ A quiescent current
independent of off-chip capacitor.APCCAS ： 1320-1323.
第2 章LDO 的组成
LDO 是运算放大器和闭环负反馈系统的一个典型应用， 用来实现在不同输
出电流情况下稳定输出电压的作用。式(2-1) 给出了LDO 输出电压的表达式；
图2-1 给出了LDO 的典型结构和基本组成模块。如图2-1 所示， LDO 由最基本
的四个模块组成， 分别是基准电路、误差放大器、功率级和辅助电路。在图2-1
中， 功率级把芯片外的负载电阻和负载电容也囊括了进来， 这是因为这两个器件
对LDO 频率响应和工作点的变化有着显著影响。
VO U T ＝ VREF ? AO ，EA ? AO ，POW
1 + RFB2
RFB1 + RFB2
? AO ，EA ? AO ，POW
＝ VREF ? RFB1 + RFB2
RFB2 1 - 1
1 + RFB2
RFB1 + RFB2
? AO ，E A ? AO ，POW
(2 -1)
在本章中， 将根据图2-1 和式(2-1) 介绍各个模块的主要功能和主要设计
指标， 具体的电路结构和理论分析将在稍后的章节中分别说明。
2.1 基准电路
从图2-1 可以看出， 基准电路需要为误差放大器提供基准电压VREF 和基准电
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