一种响应极快负载变化的无片外电容LDO的研究与设计

发布时间：2020-10-01 18:34

　　由于传统LDO(Low Dropout Regulator)有着较大的片外电容,无法和片上系统(SoC)的发展趋势结合,因而无片外电容LDO成为当下发展应用的主流。与传统LDO相比,无片外电容LDO由于缺少了较大的输出电容,在环路稳定性和瞬态响应特性上存在设计挑战。而且在SoC应用中,有许多电路需要电源在极短时间内提供一个大电流,这对无片外电容LDO设计提出了更高的要求。本文研究针对极快负载变化应用的无片外电容LDO设计。首先,本文基于对LDO瞬态响应过程的计算和分析,使用NMOSFET作为功率管以提高响应速度、限制极快负载变化条件下的输出欠冲和上冲幅度。为保证NMOS功率管有合适的电压裕度,论文还设计了一个集成电荷泵以及为电荷泵提供时钟信号的高精度频率可调振荡器。其次,误差放大器采用差分栅耦合对组合的方式实现,采用动态偏置和静态偏置组合的偏置方式,以节省功耗提高效率,并获得更高的系统带宽和压摆率,同时将LDO环路的低频主极点设置在功率管栅端以提高带宽。第三,引入了一条通过电容耦合高速动态信号的瞬态响应快速通路,当负载瞬态变化速度大于或远大于LDO带宽时,直接将LDO输出端的交流信号馈入到功率管驱动电路中,极大提高了LDO瞬态响应速度。论文基于华宏0.11μm 5.5V高压CMOS工艺完成了原型芯片的电路设计与仿真。仿真结果表明,在-25℃~125℃内,输入电压范围2V~5V,输出电压1.5V,典型情况下最低静态电流消耗为86μA,在极快负载变化(50μA~50mA@100ps)下获得了较为优秀的瞬态响应特性,最大输出电压欠冲466mV,输出电压上冲333mV。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN402
【部分图文】：

共栅极,快速瞬态,压摆率,动态

华中科技大学硕士学位论文6计了如图1-1所示的LDO，误差放大器和LDO输出端均有上拉和下拉两条通路，在增大环路增益提高精度的同时，对于功率器件栅端（或基极）的充放电具有加速的效果，提高了 LDO 瞬态响应速度。图 1-1 一种使用 Class-AB 驱动栅极的 LDO 电路示意图[35]文献[36]中提出了一种基于共栅极放大器，采用动态偏置的无片外电容NMOS LDO，提高带宽和压摆率，实现了快速瞬态响应，同时降低轻载时的功耗，提高了效率。电路如图 1-2 所示：图 1-2 一种采用动态偏置的瞬态增强 LDO 电路实

电路实现,瞬态,动态,共栅极

图 1-1 一种使用 Class-AB 驱动栅极的 LDO 电路示意图[35]文献[36]中提出了一种基于共栅极放大器，采用动态偏置的无片外电容NMOS LDO，提高带宽和压摆率，实现了快速瞬态响应，同时降低轻载时的功耗，提高了效率。电路如图 1-2 所示：

瞬态,数字,误差放大器,偏置电流

和压摆率（SlewRate,SR）。为了增强带宽和 SR，误差放大器采用共栅极—折叠共源共栅（Foldcascadecommon-gate）结构。相比于栅极输入，源极输入的输入阻抗更低，最大输出电流不受尾电流限制，响应速度更快，更适用于快速响应设计中。采用两个跨导放大器，两倍的差分摆幅被放大，获得了两倍的总跨导，可以获得两倍于传统折叠共源共栅电流（FoldCascode）的单位增益带宽（UnitGainBandwidth，UGB），实现接近于两倍的增益和速度。MS为动态偏置采样管镜像功率管MN，产生的经过 M11、M12 镜像后，由MDB0比例镜像到MDB1~MDB4，改变误差放大器的偏置电流。在轻负载条件下，减小误差放大器的偏置电流以减小功耗。在负载电流增大后的短时间内，误差放大器的偏置电流提高，环路带宽和SR 提升，系统响应速度提升。而文献[37]介绍了一种较为新颖的结构，利用数字LDO辅助提高瞬态响应。电路示意图如图 1-3 所示：

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