پایان نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق گرایش الکترونیک طراحی وبهینه سازی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم) LDO ( نجمه خانیان استاد راهنما: دکتر عباس گلمکانی تابستان 9 I
II
شکر شایان نثار ایزدمنان که توقیق را رفیق راهم ساخت تا این پایان نامه را به پایان برسانم. با سپاس فراوان از پدر و مادر عزیزم که همواده همراه و یاورم بودند. از استاد ارجمندم جناب آقای دكتر گلمکانی برای راهنمایی مشاوره و هدایت این پایاننامه خاضعانه سپاسگزارم همچنین از تمامی اساتید گرانقدرم در دوره کارشناسی ارشد کمال تشکر را دارم. III
چكیده در تراشههای مجتمع امروزی یکی از مهمترین و اساسیترین بخشها بلوک تغذیه میباشد. در این بلوک به منظور تغذیه قسمتهای مختلف مدار و فراهم کردن جداسازی الزم بین آنها از چندین رگوالتور ولتاژ استفاده می شود. به طور کلی از رگوالتورهای ولتاژ خطی با افت کم برای تغذیه بخش آنالوگ سیستم که نسبت به نویز حساسیت بیشتری دارد و همچنین برای تولید یک ولتاژ خروجی پایدار و دقیق در وسایل قابل حمل استفاده میشود. دلیل آن این است که این نوع از رگوالتورها بدون توجه به اندازه ولتاژ ورودی جریان خروجی دمای محیط و نویز تزریق شده از سوی مدارهای دیگر میتوانند ولتاژ خروجی پایدار و ثابتی تولید کنند. در این پروژه با بررسی معیارهای شایستگی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم برای آنکه با تغییر ولتاژ تغذیه یا جریان بار ولتاژ خروجی تغییرات کمتری داشته باشد رگوالتوری دارای تقویت کننده خطا با گین باال را طراحی کردهایم. همچنین با مروری بر روشهای استفاده شده به منظور کاهش اثر نویز منبع تغذیه در خروجی رگوالتورهای با افت کم آرایش جدیدی معرفی میشود که عالوه بر نویز خروجی پایین از مزیت پایداری پاسخ حالت گذرای و دائمی مناسب برخوردار است. در راستای کاهش سطح اشغالی رگوالتورهای پیشنهادی و همچنین قابلیت مجتمع سازی خازن های جبران ساز و خازن بار از خازنهای ماسفت به جای خازنهای خطی در این رگوالتورها استفاده شده است. به منظور اثبات کارایی ساختارهای پیشنهادی رگوالتورهای ولتاژ با ولتاژ خط حداقل.4V ولتاز خروجی.2V و جریان بار 00mA پیاده سازی میگردند. کلمات کلیدی: رگوالتور ولتاژ با افت کم تقویت کننده خطا رگوالسیون بار رگوالسیون خط زمان نشست PSR IV
فصل اول: 2 3 4 پیشگفتار -- مقدمه 2-- انگیزه پژوهش 3-- ساختار پایان نامه فصل دوم: 5 6 7 8 8 8 8 9 9 9 3 5 رگوالتور ولتاژ با افت کم) LDO ( و معیارهای شایستگی آن -2- مقدمه 2-2- رگوالتورهای ولتاژ خطی با افت کم -2-2- معیارهای شایستگی و مشخصههای کلیدی در رگوالتورهای خط 2-2-2 -مشخصههای حالت دائم الف(حداقل اختالف ولتاژ میان ورودی و خروجی ب( رگوالسیون خط ج( رگوالسیون بار 3-2-2- مشخصههای پویا 4-2-2- مشخصههای فرکانس باال 5-2-2 -طراحی رگوالتورهای خطی با افت کم :اندازه عناصر و پاسخ فرکانسی 6-2-2 -طراحی رگوالتوهای خطی با افت کم:رفتار حالت گذرا 7- -2-2 طراحی تقویت کننده خطا فصل سوم: V
7 چالشهای موجود در طراحی رگوالتوهای ولتاژ با افت کم 8 8 8 2 22 22-3- مقدمه 2-3- روابط پیچیده میان پارامترهای مختلف و غیر خطی بودن ساختار 3-3 -نویز خروجی کم 4-3 -پایداری 5-3 -توان مصرفی و سطح اشغالی کم 6-3 -زمان نشست کوتاه فصل چهارم: 25 26 26 3 32 طرحهای پیشنهادی -4 -مقدمه 2-4 -بررسی رگوالتور ولتاژ با افت کم با استفاده از خازنهای ماسفت 3-4- طراحی رگوالتور ولتاژ با افت کم با رگوالسیون خط و بار بهبود یافته -3-4- نتایج شبیه سازی 4-4- طراحی رگوالتور LDO به منظور کاهش نسبت حذف نویز منبع تغذیه و بهبود مشخصات حالت دائم 36 وگذرا 39 - -4 -نتایج 4 شبیه سازی فصل پنجم: 44 45 46 47 نتیجهگیری و پیشنهادات مراجع -5 -نتیجهگیری 2-5 -پیشنهاداتی برای ادامه کار VI
فهرست اشکال 2 3 6 7 8 2 شكل) - (: بلوک دیاگرام رگوالتور سری ساده[ ] شكل )2-(: رگوالتورهای خطی و بخشهای فرعی متناظر آنها[ ] شكل) -2 (: ساختار داخلی منبع تغذیه در یک تلفن همراه[ 4 ] شكل )2-2(: ساختار استاندارد یک رگوالتور با افت کم[ 6 ] شكل) 3-2 (: رابطه ورودی- خروجی تراشه [4] TITP6333 شكل )4-2(: PSR برحسب فرکانس در یک LDO شبیه سازی شده[ 6 ] شكل) 5-2 (: مدل سیگنال کوچک یک رگوالتور با افت کم و بلوکهای موثر در پایداری آن [6] شكل )6-2(: پیكربندی های عنصر عبوردهنده[ ] شكل) 7-2 (: پاسخ فرکانسی LDO در شرایط نوعی بار خروجی [6] 3 شكل) 8-2 (: پاسخ فرکانسی شبیه سازی شده یک در شرایط مختلف بار خروجی [6] 3 شكل) 9-2 (: آرایش پایه جهت تحلیل حالت گذرا [6] 4 5 5 2 24 شكل) -2 (:پاسخ حالت گذرای LDO با اعمال یک پالس جریان به خروجی آن[ 6 ] شكل) -2 (: پاسخ حالت گذرای LDO با اعمال یک پالس خروجی جریان صد میلی آمپری[ 6 ] شكل )2-2(: آرایش پایه LDO به همراه بافر در خروجی تقویت کننده خطا [6] شكل) -3 (: راهكارهای موجود برای کاهش PSR رگوالتورهای خطی شكل) 2-3 (: راهكارهای موجود برای کاهش زمان نشست 26 27 شكل) -4 (: آرایش رگوالتور LDO به همراه جبران سازی فرکانسی با خازنهای ماسفت [25] شكل) 2-4 (: مدار معادل سیگنال -کوچک حلقه رگوالسیون[ 25 ] 29 29 [25] [25] ) شكل) 3-4 (: منحنی آرایش یک خازن ماسفت جبران سازی شده از نوع SCDM شكل) 4-4 (: منحنی C-V خازن بار در آرایش مورد نظر) 3 3 شكل) 5-4 (: آرایش رگوالتور ولتاژ با افت کم پیشنهادی با رگوالسیون خط و بار بهبود یافته شكل) 6-4 (: مسیر راه یابی نویز از منبع تغذیه به خروجی VII
32 33 33 34 34 34 شكل) 7-4 (: مشخصه ورودی- خروجی مدار پیشنهادی در جریان بار 00mA شكل) 8-4 (: رگوالسیون بار رگوالتور پیشنهادی و رگوالتور مرجع[ 25 ] شكل) 9-4 (: رگوالسیون خط رگوالتور پیشنهادی و رگوالتور مرجع[ 25 ] در جریان بار 00uA شكل) -4 (: رگوالسیون خط رگوالتور پیشنهادی و رگوالتور مرجع[ 25 ] در جریان بار 00mA شكل) -4 (: رگوالسیون بار حالت گذرای مدار پیشنهادی شكل) 2-4 (: رگوالسیون حالت گذرای خط مدار پیشنهادی شكل) 3-4 (: نسبت حذف نویز منبع تغذیه در خروجی مدار) PSR ( در حوزه فرکانس برای مدارپیشنهادی 35 و مدار مرجع [25] به ازای جریان 00mA 36 37 PSR شكل) 4-4 (: رگوالتور LDO متداول به منظور تحلیل [7] PSR شكل) 5-4 (: آرایش رگوالتور ولتاژ با افت کم پیشنهادی بهبود دهنده 38 شكل) 6-4 (: مدار معادل سیگنال کوچک ساختار پیشنهادی 39 شكل) 7-4 (: مشخصه ورودی- خروجی مدار پیشنهادی در جریان 00mA شكل) 8-4 (: نسبت حذف نویز منبع تغذیه در خروجی مدار) PSR ( در حوزه فرکانس برای مدار پیشنهادی 4 ومدار پایه به ازای جریان 00mA 4 4 4 42 42 42 شكل) 9-4 (: رگوالسیون بار مدار پیشنهادی و مدار پایه شكل) 2-4 (: رگوالسیون خط مدار پیشنهادی و مدار پایه به ازای ماکزیمم جریان بار شكل) 2-4 (: رگوالسیون خط مدار پیشنهادی و مدار پایه به ازای جریان بار 00μA شكل) 22-4 (: رگوالسیون بار حالت گذرا برای مدار پایه به ازای پله جریانی با دامنه حدودی 00mA شكل) 23-4 (: رگوالسیون بار حالت گذرا مدار پیشنهادی به ازای پله جریانی با دامنه حدودی 00mA شكل) 24-4 (: پاسخ رگوالسیون خط برای مدار پیشنهادی VIII
فهرست جداول 3 35 43 جدول -4: خالصه نتایج شبیه سازی به ازای خازن بار جدول 2-4: خالصه نتایج شبیه سازی مدار پیشنهادی اول جدول 3-4: خالصهای از نتایج شبیه سازی مدار پیشنهادی دوم 45 جدول -5: مقایسه طرحهای پیشنهادی با کارهای انجام شده IX
فصل اول پیشگفتار
ب- فلا) ب) - مقدمه رگوالتورهای ولتاژ به دو دسته اساسی رگوالتوهای خطی و رگوالتورهای سویچینگ تقسیم میشوند. رگوالتورهای خطی شامل دو دسته رگوالتور سری و موازی هستند. فلا- شکل) - نمایش ساده از رگوالتور خطی سری در بلوک دیاگرام ) نشان داده شده است. رگوالتورهای خطی به منظور تامین کردن ولتاژ خروجی که یک نسبت از قبل تعیین شده از ولتاژ مرجع بایاس آن است رسانایی سوییچ عبوردهنده سری متصل شده بین ورودی V( DD ( DC و خروجی تنظیم شده ( out V( را مدوله میکنتد. کلمهی سری از عنصر عبور دهنده که به صورت سری با تغذیه تنظیم نشده و بار قرار دارد گرفته شده است. از آنجایی که جریان و کنترل آن در زمان پیوسته هستند مدار بصورت ذاتی خطی و آنالوگ است و چون فقط منبع تغذیه از طریق یک سوییچ سری به صورت خطی کنترل میشود ولتاژ خروجی آن نمیتواند از ولتاژ ورودی تنظیم نشده آن تجاوز کنند یعنی) دیاگرام شکل )-.) اجزای اساسی در بلوک ) نشان داده شده است. قابل توجه است که عنصر کنترل به صورت سری با بار بین ورودی و.[] خروجی قرار دارد. مدار نمونه خروجی یک تغییر در ولتاژ خروجی را حس میکند. آشکار ساز خطا ولتاژ نمونه را با ولتاژ مرجع مقایسه میکند و سبب میشود عنصر کنترل جبران صحیحی انجام دهد تا ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند رگوالتور سری یا رگوالتور خطی با افت کم مداری است که یک ولتاژ DC پایدار و معین خوب را فراهم میکند [2]. همانگونه که در شکل )2-( جبران سازی داخلی یا خارجی و با افت ولتاژ زیاد یا کم باشند [3]. نشان داده شده است رگوالتورهای خطی میتوانند توان باال یا توان پایین دارای ) ) شکل) - (: بلوک دیاگرام رگوالتور سری ساده [] Low Dropout Regulator(LDO) 2
شکل )2-(: رگوالتورهای خطی و بخشهای فرعی متناظر آنها [] -2 انگیزه پژوهش امروزه فرایند ساخت CMOS پیشرفت وسیعی داشته و به گیتهایی با طول کمتر از چند ده نانومتر رسیده است. بنابراین حد باالی ولتاژ تغذیه و توان مصرفی مجاز در مدارهای مجتمع آنالوگ دیجیتال و RF کاهش یافته است. در طراحی تراشههای نانو-الکترونیک چالشهایی همچون محدودتر شدن ناحیه عملکرد خطی بازه پویایی افزایش حساسیت خروجی به نویز منبع تغذیه وجود دارد که این مشکالت در طراحی مدارهای مجتمع برای سیستمهای قابل حمل جدیتر است. به منظور افزایش طول عمر باتری بعد از هر بار شارژ و بهرهمند شدن از مزایای فرآیندهای 2 ساخت جدید مدارها باید پهنای باند باال و سطح تراشه حداقل را در کمترین توان دارا باشند از آنجایی که ولتاژ تغذیه کوچکتر شده است بخش بیشتری از کل بودجهی نویز سیستم باید به نویز موجود در منبع تغذیه اختصاص داده شود که باعث پیچیدهتر شدن طراحی مدار میگردد. برای افزایش طول عمر باتری و حداقل کردن نویز تغذیه به رگوالتورهایی با بهرهوری باال و سطح اشغالی و نویز خروجی پایین نیاز است. بطور کلی اگر نویز تزریق شده از سمت رگوالتور کاهش یابد و بلوک عالوه داشته باشد کارایی بلوکهای آنالوگ و RF افزایش مییابد. بر مصرف توان کم پاسخ گذرای سریعی نیز در برابر تغییرات لحظهای رگوالتورهای LDO با توجه به ولتاژ خروجی و جریان بار تولید شده توسط آنها در صنایع خودرو شبکه مخابرات وسایل قابل حمل و تلفنهای همراه کاربرد دارند. در این پژوهش تمرکز ما بر روی وسایل قابل حمل و تلفنهای همراه میباشد که دارای جریان باری در بازهی 50mA تا 300mA و ولتاژ خروجی در بازهی V تا 4.5V هستند و سعی شده رگوالتورهای ولتاژ با افت کم با پاسخ گذرای سریع و سطح اشغالی و نویز خروجی کم برای این کاربردها طراحی شود. Dynamic range 2 Technologies 3
3- ساختار پایاننامه فصل اول پایان نامه با هدف آگاهی از تالشها و مطالعات انجام شده در زمینه طراحی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم بیان انگیزه اصلی انجام این پروژه و ارائه اطالعات کلی به خواننده محترم تنظیم شده است. فصل دوم به بررسی ساختار رگوالتورهای ولتاژ خطی با افت کم معیارهای شایستگی و مشخصههای کلیدی آنها و طراحی رگوالتور خطی با افت کم میپردازد. فصل سوم به بحث درمورد چالشهای موجود در طراحی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم اختصاص دارد. با معرفی نقاط ضعف موجود در طراحی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم تاثیر هر یک از معیارهای شایستگی معرفی شده در این فصل بر روی رفتار بلوک مورد نظر بررسی خواهد شد و در هر مرحله چالشهای پیش روی طراح نیز مورد بحث قرار میگیرند. با بررسی چالشهای پیش روی در فصل سوم فصل چهارم به معرفی راهکارهای پیشنهادی در این پایان نامه به منظور بهتر شدن رفتار رگوالتورهای خطی اختصاص مییابد. در این فصل از یک مدار به عنوان مدار پایه استفاده شده است ونتایج طرحهای پیشنهادی با مدار پایه مقایسه شده و کارایی طرحهای پیشنهادی از این طریق نشان داده شده است. فصل پنجم به نتیجهگیری اختصاص دارد و نتایج طرحهای پیشنهادی را با طرحهای ارائه شده در قبل مقایسه شده است همچنین برخی از کارهایی را که در ادامه میتوان انجام داد در این فصل بررسی میکنیم. در خاتمه فهرستی از مراجع مورد استفاده در این پروژه ارائه شده است. 4
فصل 2 رگوالتور ولتاژ با افت کم) LDO ( آن و معیارهای شایستگی 5
-2 مقدمه و امروزه وسایل قابل حمل به منظور دوام داشتن برای ساعتهای طوالنی نیاز به سیستم مدیریت توان کارآمد دارند. این وسایل معموال به سطوح ولتاژ چندگانه در تراشه نیاز دارند از این رو رگوالتورهای ولتاژ با افت کم )LDO( به طور گسترده در بلوک تغذیه وسایل قابل حمل مثل تلفنهای همراه دوربینهای دیجیتال دستگاههای پخش CD استفاده شده است. همچنین برای کاربردهایی مثل RFIC و IC های تقویت کننده صدا که نیاز به نویز کم دارند نیز مناسب است. در شکل) -2 ( منبع تغذیه داخلی یک تلفن همراه تجاری نشان داده شده است. همانگونه که در این ساختار دیده میشود به منظور تغذیه بلوکهای متعدد پردازش سیگنال از چندین LDO استفاده شده است. ولتاژ تثبیت نشده باتری به ورودی رگوالتورهای خطی اعمال میشود تا در خروجیها ولتاژ تثبیت شده با توان نویز کم مهیا شود. امروزه با افزایش نیاز بازار به محصوالتی از این دست نیاز به پردازش سیگنالها در توان مصرفی سطح اشغالی و ولتاژ عملیاتی پایین افزایش چشمگیری یافته است. از جمله عواملی که در افزایش طول عمر باتری موثر است بازده انرژی رگوالتورهای ولتاژ و کاهش جریان استراحت می باشد. در واقع سیستم تثبیت ولتاژ یک محصول الکترونیک غالبا تنها قسمتی است که به طور مستقیم حتی در وضعیت خاموش بودن همه بلوکها روشن بوده و به منظور افزایش قابلیت اطمینان سیستم در وضعیت آماده به کار قرار دارد. شکل) -2 (: ساختار داخلی منبع تغذیه در یک تلفن همراه [4] از معیارهای شایستگی در طراحی همه رگوالتورها می توان به حداقل اختالف ولتاژ ورودی و خروجی آنها اشاره کرد که باید تا حد امکان کم باشد همچنین رگوالتوهای ولتاژ خطی با افت کم باید بدون توجه به اندازه ولتاژ ورودی جریان خروجی دمای محیط و نویز تزریق شده از سوی مدارهای دیگر ولتاژ خروجی پایدار و ثابتی تولید کنند. در واقع بلوک های حساس آنالوگ RF و دیجیتال نیاز به حفاظت شدید در مقابل نویز و اعوجاج موجود در منبع تغذیه اصلی دارند. در حالت کلی مالک شایستگی مهم دیگر در هر رگوالتور ولتاژی نسبت حذف نویز تغذیه Quiescent current 6
PSR به عنوان تابعی از فرکانس میباشد. در مرحله طراحی برای آنکه تثبیت ولتاژ به خوبی انجام شود به اطالعات جامعی از وضعیت جریان کشی بار و سرعت تغییر آن حداکثر توان مورد نیاز در بار و دامنه نویز موجود در تغذیه ورودی نیاز داریم. از چالشهای مهم در طراحی یک رگوالتور که از ساختار داخلی رگوالتور نشات میگیرند کاهش حساسیت به تغییرات ولتاژ ورودی و جریان بار خروجی )حداکثر سازی رگوالسیون خط و بار حالت گذرا و دائمی( در سطح اشغالی و توان مصرفی پایین همچنین پایدار نگاه داشتن ساختار در کل بازه دمایی و جریان بار است. در این فصل به بررسی مشخصه ها و معیارهای شایستگی رگوالتورهای ولتاژ خطی میپردازیم. بیشترین تمرکز در این قسمت بر روی رگوالتورهای ولتاژ با افت کم بلوکهای استفاده شده در آن و بررسی پایهای رفتار است. 2-2 رگوالتورهای ولتاژ خطی با افت کم امروزه در مدارهای مجتمع غالبا از رگوالتوهای ولتاژ با افت کم برای تغذیه بلوکهای حساس به نویز منبع تغذیه استفاده میشود. آرایش پایه یک رگوالتورLDO در شکل) 2-2 ( نشان داده شده است که شامل یک مدار مرجع ولتاژ 2 به همراه سیستم تحریک یک تقویت کننده خطا یک ترانزیستور)عنصر( 3 هدایت کننده جریان به بار و در نهایت 4 شبکه فیدبک مقاومتی است. وظیفه مدار مرجع تولید یک ولتاژ DC پایدار که تا جای ممکن بدون نویز باشد و نیاز به قابلیت جریان دهی باال نداشته باشد است همچنین عناصری که حلقه رگوالسیون را تشکیل میدهند شامل تقویت کننده خطا ترانزیستور عبور دهنده و شبکه فیدبک مقاومتی هستند که وظیفه آن مقایسه نمونه مشخصی از ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع ثابت است. شبکه فیدبک قسمتی از ولتاژ خروجی را در ورودی تقویت کننده خطا آشکار سازی میکند. تقویت کننده خطا با مقایسه این نسبت با ولتاژ مرجع سیگنال خطای مناسب را به منظور اعمال به عنصر عبور دهنده صادر میکند. در نتیجه جریان مورد نیاز در بار با حفظ اندازه ولتاژ خروجی تامین خواهد شد. به کمک حلقه رگوالسیون ولتاژ خروجی تثبیت شده ) ( برابر با نسبت مشخصی از ولتاژ مرجع میگردد. اختالف ولتاژ ورودی تثبیت نشده با ولتاژ خروجی تثبیت شده در دو سر ترانزیستور عبور دهنده میافتد. حداقل ولتاژ مورد نیاز به منظور نگاه داشتن این ترانزیستور در ناحیه اشباع حداقل اختالف مجاز بین ورودی و خروجی را تعیین خواهد کرد. این پارامتر همانطور که در آینده نشان داده خواهد شد حداقل بدون هیچ محدودیت و مشکلی را تعیین میکند. به منظور پایدار نگاه داشتن یک LDO به منظور انجام عمل رگوالسیون و همچنین هر چه بهتر نمودن رفتار حالت گذرای آن به طور متداول از یک خازن با ظرفیت باال و مقاومت الکتریکی سری (ESR) شده استفاده میشود ) و در شکل 2-2 (. کنترل اگر پیاده سازی این خازن به صورت مجتمع انجام شود سطح زیادی اشغال نموده و اندازه آن نقش اصلی را در تعیین قیمت تمام شده LDO ایفاء خواهد کرد[ ]. شکل) 2-2 (: ساختار استاندارد یک رگوالتور با افت کم [6] Power supply rejection 2 Error amplifier 3 Pass element 4 Feedback network 5 Electrical series resistance (Equivalent series resistance) 7
-2-2 حالت معیارهای شایستگی و مشخصههای کلیدی در رگوالتورهای خطی به طور کلی مشخصهها و مالکهای شایستگی یک رگوالتور ولتاژ خطی را میتوان به سه دسته مشخصههای 3 2 دائمی حالت پویا و فرکانس باال تقسیم بندی نمود. مشخصههای حالت دائم که غالبا تابع جریان بار و بهره DC حلقه رگوالسیون میباشند رفتار رگوالتور را در حالت دائم و با پایان یافتن تغییرات حالت گذرا پیش بینی میکنند. مشخصههای پویا توانایی یک رگوالتور ولتاژ در تثبیت ولتاژ خروجی در شرایط حالت گذرای تغییرات ولتاژ تغذیه و جریان بار را پیش بینی میکنند. رفتار رگوالتور را در حوزه فرکانس و غالبا از نقطه نظر نویز خروجی توسط مشخصههای فرکانس باال بررسی میشود. در ادامه به تفصیل در مورد مشخصههای مذکور و متغیرهایی که در هر قسمت حائز اهمیت هستند بحث خواهد شد. 2-2-2 مشخصههای حالت دائم الف( حداقل اختالف ولتاژ میان ورودی و خروجی : 4 حداقل اختالف میان ورودی و خروجی( ( یعنی حدپایین اختالف الزم بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی به گونهای که حلقه رگوالسیون قادر به تولید سیگنال خطای صحیح باشد. در رگوالتورهای خطی با افت کم این پارامتر غالبا توسط ولتاژ اشباع ترانزیستور عبور دهنده محدود میشود. به عبارت دیگر: )-2( در این رابطه = و ولتاژ اشباع ترانزیستور عبوردهنده در شکل) 2-2 ( است. شکل) 3-2 ( به عنوان نمونه رابطه ورودی-خروجی تراشه TI TPS 6333 را درجریان بار حداکثر نشان میدهد. این تراشه یک LDO قطع میگردد. است. با توجه به این شکل وقتی مقدار ورودی از با خروجی کمتر شود رگوالسیون ولتاژ خروجی شکل) 3-2 (: رابطه ورودی-خروجی تراشه [4] TI TPS 6333 ب( رگوالسیون خط : رگوالسیون خط عبارت است از میزان تغییر ولتاژ خروجی رگوالتور به ازاء یک تغییر مشخص در اندازه ولتاژ خط. درLDO نشان داده شده در شکل 2-2 این پارامتر در حالت دائمی دارای رابطهای به فرم زیر است ] ]. )2-2( Steady-state specifications 2 Dynamic-state specifications 3 High-frequency specifications 4 Dropout voltage 5 Line regulation (Pushing effect) 8
در این رابطه خروجی ولتاژ تغییرات ترتیب به هستند. مرجع و ورودی همچنین و به ترتیب مقاومت خروجی و هدایت انتقالی ترانزیستور عبور دهنده بهره حلقه رگوالسیون و ضریب فیدبک در وضعیت DC میباشند. اندازه ج( رگوالسیون بار : رگوالسیون این بار که جریان رابطهای به فرم زیر است: ) 3-2( غالبا پارامتر بار معادل عبارت با از است مقاومت میزان خروجی ولتاژ تغییر رگوالتور خروجی و بوده به ازاء برای یک ساختار تغییر شکل) 2-2 ( مشخص در دارای در این رابطه و به ترتیب میزان تغییر ولتاژ خروجی و جریان بار را مشخص میکنند. این رابطه نشان میدهد قابلیت رگوالسیون بار با افزایش بهره DC تقویت کننده خطا بهتر میگردد [6]. 3-2-2 مشخصههای پویا مشخصه پویا نشان دهنده قابلیت تثبیت ولتاژ خروجی در شرایط حالت گذرای بار و حالت گذرای خط یک رگوالتور ولتاژ است. در واقع رگوالتور باید نسبت به تغییرات گذرا به سرعت عکس العمل نشان دهد تا نوسان ولتاژ خروجی به حداقل برسد. مشخصههای پویا بر خالف مشخصههای حالت دائمی به رفتار سیگنال بزرگ بستگی دارد. مهمترین پارامتر تعیین کننده این مشخصهها قابلیت شارژ و دشارژ خازنهای ناخواسته است. در ساختار پایه LDO غالبا از یک خازن بزرگ در بار( ( استفاده میشود که وظیفه این خازن در شرایط گذرا تامین و دریافت جریان بار در شرایطی که با اعمال یک پله جریان با دامنه زیاد در بار پهنای باند حلقه رگوالسیون محدود و جریان ترانزیستور عبور دهنده هنوز تصحیح نشده است میباشد. اگر فرض کنیم ترانزیستور خروجی در حالت عادی خاموش بوده و جریان مورد نیاز در بار به طور ناگهانی از صفر به مقدار ماکزیمم( ( برسد. در این شرایط میزان افت ولتاژ خروجی در شکل) 2-2 (از رابطه زیر بدست میآید [7]. )4-2( مدت زمان الزم برای تشخیص تغییر در جریان خروجی توسط حلقه و پاسخ مناسب به آن است که به طور تقریبی با عکس پهنای باند متناسب است. همچنین مولفه افت ولتاژ بر روی مقاومت ESR است. طبق رابطه )4-2( رگوالسیون بار در حالت گذرا با افزایش اندازه خازن خروجی بهتر میگردد. 4-2-2 مشخصههای فرکانس باال رفتار رگوالتورها در حوزه فرکانس و از نقطه نظر نویز توسط مشخصههای فرکانس باال بررسی میشود. حساسیت مدار به نویز منبع تغذیه درشرایط کاری مختلف که با پارامتری به نام نسبت حذف نویز منبع تغذیه یا PSR بیان میشود مهمترین متغیر از مشخصههای فرکانس باال میباشد. پارامتر مذکور به صورت زیر قابل تعریف است [8]. ) -2( Load regulation 9
در این رابطه امپدانس دیده شده از خروجی رگوالتور تا زمین است[ 9] [8 ]. شکل) 4-2 ( نتیجه شبیه سازی PSR یک LDO را بر حسب فرکانس نشان میدهد. همانگونه که رابطه )2-2( پیش بینی میکند با توجه به اینکه بهره حلقه مقدار زیادی دارد حساسیت ولتاژ خروجی و در نتیجه PSR در فرکانسهای پایین کم است. در فرکانس- های باال به علت بایپس شدن گره خروجی توسط خازن امپدانس کاهش یافته و در نهایت PSR طبق رابطه )2- ( مجددا کاهش مییابد. در نتیجه PSR در فرکانسهای میانی در بدترین وضعیت ممکن قرار دارد[ ]. شکل) 4-2 (: برحسب فرکانس در یک شبیه سازی شده[ 6 ]. 2-2- طراحی رگوالتورهای خطی با افت کم: اندازه عناصر و پاسخ فرکانسی پایداری یک رگوالتور در حالت گذرا به تضعیف یا تقویت مولفههای فرکانسی در حلقه رگوالسیون بستگی دارد. این امر خود وابسته به تاخیر موجود در حلقه رگوالسیون جریان بار و شرایط محیطی است. شکل) 2 - ) عناصر موثر در پایداری یک LDO را نشان میدهد. در این شکل تقویت کننده خطا ترانزیستور عبور دهنده مقاومتهای فیدبک منبع جریان خروجی خازن خروجی و ESR معادل آن و در نهایت خازن بایپس ) ( نشان داده شده اند با اندازهای کوچک و از نوعی با فرکانس قطع باال بوده به منظور بایپس نمودن ESR خازن در فرکانسهای باال به مدار اضافه شده است. در حالت کلی این خازن را میتوان به بهای کمتر شدن کیفیت رفتار فرکانسی در فرکانسهای باال حذف نمود. (: مدل سیگنال-کوچک یک رگوالتور با افت کم و بلوک های موثر در پایداری آن[ 6]. شکل )2- در شکل) 6-2 ( پنج پیکربندی پایهای موجود برای عنصر عبوردهنده نشان داده شده است. توپولوژی بستگی به فرآیند تکنولوژی و مشخصات مورد نیاز برای دارد []. آزادی برای انتخاب By Pass
شکل) 6-2 (: پیکربندهای عنصر عبوردهنده []. ترانزیستور عبور دهنده در شکل) 2 - ( به کمک ترارسانا ) ( و مقاومت خروجی( ( آن مدل سازی شده است. بسته به اندازه ولتاژ اشباع نسبت طول به عرض دروازه این ترانزیستور عبارتست از: ) 6-2( با توجه به اندازه از پیش تعیین شده برای جریان حالت دائمی گذرنده از شبکه فیدبک و نیز رابطه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع اندازه مقاومتهای و تعیین میشوند. در شکل )2- ( با توجه به بهرهDC زیاد تقویت کننده خطا و در حالت کلی حلقه فیدبک اختالف ولتاژ بین ورودیهای مثبت و منفی تقویت کننده خطا قابل اغماض بوده و ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست میآید: ) 7-2( با توجه به این رابطه در صورتی که به عنوان مثال ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجعی برابر.2Vبرابر بوده و جریان حالت دائمی در شبکه فیدبک مقاومتی تعیین شود برابر با صفر و برابر با خواهد بود برای پایدار شدن سیستم به حاشیه فاز بزرگتر از صفر نیاز داریم. تحلیل ساختار شکل) 2-2 رگوالسیون از گره انجام میشود. بهره حلقه یا برابر با رابطه زیر است:. ) با شکستن حلقه )8-2( در این رابطه و و به ترتیب ترارسانایی و مقاومت خروجی تقویت کننده خطا و مجموع خازنهای ناخواسته دیده شده در ورودی ترانزیستور عبور دهنده و خروجی تقویت کننده خطا را نشان میدهند. امپدانس معادل دیده شده تا زمین در پایه را با رگوالتورهای خطی به طور نسبی پایین است میتوان اثر میلری خازن نمایش میدهند. همچنین چون پهنای باند مورد نیاز در ترانزیستور عبور دهنده را در خازنهای لحاظ نمود )شکل) 2 - ) را ببینید(. در نتیجه رابطه) 8-2 ( به صورت زیر تقریب زده میشود: )9-2( با وجود سه قطب و یک صفر بهره حلقه مستعد ناپایداری است که روابط آنها به فرم زیر است: Phase margin 2 Loop gain