低功耗快速瞬态响应全片内LDO设计

论文摘要

与高输出噪声,外围器件复杂且不易集成的高成本开关电源相比,线性稳压源（Low Dropout regulator: LDO）具有电路简单、外围器件少且可集成、低成本及优异的电源噪声抑制等特点,被广泛的应用在片上系统中用于提供高质量的电源。在有限电源供电,如电池供电的便携式设备及电磁场供电的无源射频识别（Radio Frequency Identification: RFID）系统中,一方面希望线性稳压器具有极低的静态功耗,延长系统轻载下的待机时间或改善无源芯片所能工作的最短距离,另一方面希望稳压器具有优异的瞬态响应,能够更快的响应输出负载改变引起的输出电压变化,减少所需要的片外/片内稳压电容以节省印刷电路板或芯片面积。如何在低静态功耗及快速瞬态响应之间优化及折衷一直是线性稳压器设计及研究的热点。本文阐述了线性稳压器的基本原理,从系统级模型分析了线性稳压器的静态功耗,瞬态响应及交流特性之间的限制及折衷关系;介绍了线性稳压器中常用的频率补偿及瞬态补偿方法;对采用电容前馈快通补偿抑制下冲的All-in-one线性稳压器提出了改善瞬态及频率性能的自适应摆率增强偏置（Adaptive Slew-Rate Enhancement Biasing: ASREB）结构并进行了仿真验证,经后端工程师进行版图设计后在CSMC 0.13um EEPROM工艺下进行了芯片流片及测试,测试结果表明该结构能改善LDO相频特性,扩展LDO单位增益带宽,对负载变化输出电压上冲具有良好的抑制作用;针对All-in-one线性稳压器工艺稳定性差,而普通两级运放无法直接利用电容前馈补偿的缺点,提出了适用于两级运放的虚拟输入级前馈快通补偿（Virtual Input Stage Feed-Forward Compensation: VISFFC）结构,对其瞬态响应及交流特性进行了理论分析,最后在CSMC 0.13um EEPROM工艺下进行了设计及仿真验证。仿真结果表明:在片内电容0.9nF,静态功耗23uA,最小输入输出压差0.3V的条件下,该LDO对Tr = Tf=0.1uS的10mA阶跃电流负载所引起的输出电压上冲与下冲为170mV左右,优于采用其它补偿方式及拓扑实现的LDO,具有最大的单位增益带宽及最佳瞬态响应性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电源稳压器分类与其适用环境
• 1.2 低压差线性稳压器基本实现
• 1.3 低压差线性稳压器的主要参数
• 1.3.1 输出电压
• 1.3.2 最大输出电流
• 1.3.3 输入输出压差
• 1.3.4 静态电流
• 1.3.5 负载调整率
• 1.3.6 线性调整率
• 1.3.7 电源抑制比
• 第二章 线性稳压器系统级模型及设计要点
• 2.1 线性稳压器系统级模型
• 2.2 线性稳压器设计要点
• 2.2.1 线性稳压器的瞬态特性
• 2.2.2 线性稳压器的交流特性
• 2.2.3 线性稳压器调整管设计
• 2.2.4 线性稳压器偏置电路设计
• 第三章 常见低静态功耗线性稳压器瞬态性能改善技术
• 3.1 低功耗线性稳压器的应用环境及性能要求
• 3.2 低功耗线性稳压器瞬态性能改善方法
• 3.2.1 电压跟随缓冲级（Buffer）结构
• 3.2.2 推挽（Push-pull）输出结构
• 3.2.3 前馈快通补偿（Feedforward Compensation: FFC）结构
• 第四章 自适应摆率增强偏置与虚拟输入级前馈快通补偿
• 4.1 电容前馈All-in-one 线性稳压器性能改善
• 4.1.1 自适应摆率增强偏置（ASREB）
• 4.1.2 自适应摆率增强偏置瞬态改善效果
• 4.1.3 All-in-one 结构线性稳压器缺陷
• 4.2 普通两级运放结构稳压器性能改善
• 4.2.1 采用普通电容前馈补偿对电路结构限制
• 4.2.2 虚拟输入级前馈快通补偿（VISFFC）
• 第五章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果