低功耗高稳定性无片外电容型CMOS LDO的研究与设计

发布时间：2017-10-12 01:30

  本文关键词：低功耗高稳定性无片外电容型CMOS LDO的研究与设计

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【摘要】：随着便携式电子设备的盛行和普及,集成电路片上系统(System on Chip,简写为SoC)也日益发展,因此就要求更多的功能芯片能够完全在片上集成,电源管理芯片当然也不例外。作为电源管理芯片的必要组成模块,传统的低压差线性稳压器(Low-Dropout Regulator,简写为LDO)需要在输出端挂接片外大电容,目的是保证系统稳定性,因此无片外电容LDO就面临稳定性的挑战,主要包括频率响应和瞬态响应。秉承节约能源的基本发展原则,同时为了提高电池的使用寿命和电子设备的待机时间,LDO的功耗需要降低,因此低功耗高稳定性无片外电容LDO成为发展趋势。传统的无片外电容LDO采用电阻网络的方式进行反馈,这种结构对误差放大器的要求较高,且需要较大面积的电阻。本文采纳了一种新型反馈形式即翻转电压跟随器结构(Flipped Voltage Follwer,简写为FVF),其本质是由单个晶体管进行反馈。这样的LDO不仅结构更简单,还可以降低放大器的设计难度。本文对基本的基于FVF的LDO结构进行改进,包括以下方面:首先通过采用增加一级放大器的方式提高环路增益,从而提高其调整性能,其次采用密勒补偿方法进行频率补偿,最后采用动态偏置电路提高瞬态特性。最终设计出了一款低功耗高稳定性无片外电容型CMOS LDO,可用于SoC系统中数字模块的供电电源。该设计基于40 nm CMOS工艺,完成了电路仿真和版图设计,结果如下:输入电压范围为1.5 V到3.3 V,正常输入电压为1.8 V,输出电压为1.2 V,负载电流范围为1 mA到50 mA,最小压差为293 mV;负载调整率仅为0.173 ppm,线性调整率为0.134%,低频下PSRR为60.4 dB,瞬态响应的过冲电压为91.24 mV,响应时间最长为4.37μs;LDO核心电路功耗仅为16μA,反馈环路的相位裕度在所有负载电流范围下最低为80°,所用电容约为40 pF,可在片上完全集成;所用的版图面积为384μm×314μm。综上所述,该设计具有低功耗高稳定性无片外电容的特点,同时也满足应用要求。
【关键词】：无片外电容LDO 低功耗 高稳定性
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN47
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-13
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 研究现状10-12
• 1.3 本文的主要工作及论文结构12-13
• 第二章 LDO基础理论13-28
• 2.1 LDO的基本结构与原理13-15
• 2.2 LDO性能参数15-24
• 2.2.1直流特性参数16-20
• 2.2.2 瞬态特性参数20-22
• 2.2.3 交流特性参数22-24
• 2.3 无片外电容LDO的系统分析24-27
• 2.3.1 瞬态响应分析25
• 2.3.2 频率响应分析25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 基于FVF的无片外电容LDO设计28-40
• 3.1 LDO的应用环境28
• 3.2 FVF-LDO的基本结构28-29
• 3.3 FVF-LDO的改进方案29-34
• 3.3.1 调整性能改善29-30
• 3.3.2 频率特性改善30-33
• 3.3.3 瞬态特性改善33-34
• 3.4 FVF-LDO的设计34-39
• 3.4.1 偏置电路设计34-38
• 3.4.2 主体LDO电路设计38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 电路仿真40-53
• 4.1 带隙基准电路40-44
• 4.1.1 直流特性仿真40-41
• 4.1.2 瞬态特性仿真41-42
• 4.1.3 交流特性仿真42-43
• 4.1.4 仿真总结43-44
• 4.2 主体LDO电路44-52
• 4.2.1 直流特性仿真44-46
• 4.2.2 瞬态特性仿真46-49
• 4.2.3 交流特性仿真49-52
• 4.2.4 仿真总结52
• 4.3 本章小结52-53
• 第五章 电路版图设计53-61
• 5.1 版图简介53-58
• 5.1.1 设计流程53
• 5.1.2 设计方法53-58
• 5.2 版图实现58-60
• 5.2.1 注意事项58-59
• 5.2.2 版图实现59-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第六章 结论61-62
• 6.1 总结61
• 6.2 后续工作61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66

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本文编号：1015906