低功耗快速响应的片上集成LDO研究

发布时间：2020-06-29 11:06

【摘要】：为了实现片上系统的本地电压调节,降低系统成本,减少焊盘连接线寄生电感和电阻对系统的影响,低功耗快速响应的片上集成低压差调整器(low-dropout regulator,LDO)在近年逐渐成为研究热点。针对不同应用,本文对片上集成LDO的拓扑结构和控制方式进行了研究和设计,对片上集成LDO的静态电流、瞬态响应性能和芯片面积等多方面性能进行了优化,主要包含以下四个方面的内容。第一,功率管栅极的转换速率是决定片上集成LDO瞬态响应性能的主要因素。为了打破功率管栅极的转换速率和静态功耗的折中关系,提出了辅助推挽输出级电路。辅助推挽输出级电路作为一个可插拔的模块,由输出电压过冲检测电路,输出电压下冲检测电路和两个相应的驱动电路构成。辅助推挽输出级电路开启和关闭由输出电压过冲和下冲检测电路自动控制,响应速度快。当LDO稳定输出时,辅助推挽输出级关闭,因此辅助推挽输出级不会影响LDO的频率响应。在瞬态响应期间,当输出电压的过冲或者下冲大于设定值时,辅助推挽输出级电路可以提供与运算放大器的输出电流成比例的额外的电流,提高功率管栅极的转换速率。因此,基于辅助推挽输出级电路的片上集成LDO可以在保持低功耗的同时,实现快速的瞬态响应。该LDO在0.35μm工艺下实现,根据测试结果,可以在电源电压为1.2 V,输出电压为1V时,产生100μA到100 mA的负载电流。在轻载下,LDO的静态电流仅为1.2μA。当负载电流从100μA切换到100 mA时,该片上集成LDO的电压尖峰小于270 mV,并可以在2.7μs时间内完全恢复。第二,为了在低功耗的条件下,改善瞬态响应性能,并减少轻载和满载之间的输出电压下降,提出了基于自适应输出级电路的片上集成LDO。LDO的运算放大器采用了基于翻转电压跟随器的AB类运算放大器,可以在低静态电流下提高功率管栅极的转换速率。在轻载时,自适应输出级电路断开,以维持LDO的稳定性。当负载电流IL高于3 mA时,自适应输出级电路提供额外的4倍AB类运算放大器输出电流来提升LDO的增益带宽积以及功率管栅极的转换速率。此外,为了降低轻载和满载之间的输出电压下降,自适应输出级电路引入了一个特定的偏移量来抵消由负载电流增加引起的输出电压下降。因此,LDO可以在超低功耗下实现快速瞬态响应,轻载和满载之间的输出电压差大大降低,同时也可以在不需要任何补偿电容的条件下保持稳定。第三,为了降低片上集成LDO的最小负载电流,提出了基于自适应偏置电路的LDO。在轻负载时,所提出的自适应偏置电路仅提供0.1μA偏置电流,实现低功耗并保证LDO稳定。在中负载到重负载时,自适应偏置电路提供2.5μA电流以扩展增益带宽积和提高功率栅极转换速率。为了提升LDO在极轻载下的瞬态响应性能,当LDO从中载或重载切换到轻载时,自适应偏置电路提供一个逐渐递减的负载电流,使输出电压快速恢复到稳定值。该片上集成LDO在0.13μm工艺下实现,根据测试结果,LDO最小负载电流仅为1μA,可以在1 V电源下提供0.8 V输出电压,当负载电流从1μA切换到100 mA时,片上集成LDO的电压尖峰小于120 mV,并可以在1.7μs时间内完全恢复。最后,为了提升运算放大器驱动大容性负载的能力,提出内嵌电容倍增增益提高补偿技术。内嵌电容倍增器在显著降低补偿电容的大小的同时,引入额外偏置电流提升内嵌跨导,减小非主极点对的品质系数,此外在瞬态响应期间,放大器第一级的输出级晶体管始终处于饱和区,有利于电路的快速恢复。此外,为了在低功耗条件下提高运算放大器的转换速率和减少建立时间,提出了由辅助推挽输出级改进而成的转换速率增强电路。验证结果显示,运算放大器的静态电流为13.5μA,当负载电容为1000 pF,输入信号从0.3 V快速切换到0.9 V时,1%建立时间仅为1.1μs。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM44

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