论文摘要
集成稳压器正向着高功率密度、高可靠性、高效率三个方向迈进,低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）作为其中的一员,被越来越广泛地应用到便携式电子产品中,并向着片上系统（System on Chip, SoC）集成的方向发展。由于应用简单、便于集成的优点,无电容型LDO成为各类应用的首选。与传统的LDO相比,无电容型LDO在稳定性和瞬态特性上存在着较大缺陷,其稳定性和瞬态特性是其设计中的最大挑战。本文系统的论述了瞬态增强无电容型LDO的设计考虑、方法和过程。本文围绕无电容型LDO的瞬态特性、无电容型LDO的稳定性、模拟集成电路的设计流程、LDO的基本设计指标等四个主要方面进行了研究。研究并总结了LDO的设计指标。研究了LDO的每一个设计指标,给出每一个指标的含义、产生原因以及各指标的相互关系,更新和修正了部分设计指标的详细表达式。基于指标的研究,得出设计中要考虑的折衷关系。论文研究了模拟集成电路的设计流程。研究了模拟集成电路的模型类别,重点研究了基于宏模型的模拟集成电路设计流程。给出了运算放大器的宏模型具体设计方法,并基于该模型,提出了“宏模型+晶体管级电路”的混合宏模型建立方法,并以LDO的设计实例验证了该方法的高效率。论文研究了无电容型LDO的环路稳定性。本文提出了一种改进的阻尼系数控制（Damping Factor Control,DFC）频率补偿技术,使得无电容型LDO在单位增益带宽以内只有一个主极点,保证了负载电流在大范围变化时的系统稳定性。本文为基于DFC频率补偿技术的无电容型LDO进行了细致的计算和推导,建立的详细的行为级模型和宏模型,依靠行为级模型和宏模型的仿真结果指导了晶体管级电路的设计与实现。论文还研究了无电容型LDO的瞬态响应特性。本文首先研究了传统LDO的瞬态响应特性,作为对比,重点研究了无电容型LDO的瞬态特性,分析了所有影响瞬态特性的因素。针对影响瞬态特性的重要因素,提出了一种基于简单电压比较的无电容型LDO的瞬态增强方法。该方法基于基本运算放大器、基本反向器、推挽输出级,在LDO负载瞬态变化时,能为调整管栅极提供额外的驱动电流,有效提高无电容型LDO的瞬态响应速度。基于上述研究,本论文设计了一款基于HHNEC 0.25μm标准CMOS工艺的瞬态增强无电容型LDO电路,应用在无线传感器网络节点基带SoC芯片中。给出了详细的设计流程,包括芯片规格定义、模块划分和指标推导及确定、混合模型验证各模块指标、晶体管级电路设计、仿真和验证。该LDO电路的工作电压为2.0V～3.3V,在提供100mA负载电流的情况下电压差仅为50mV,负载瞬态变化时的最大输出电压过冲量为90mV,由于电源电压变化和负载变化引起的输出电压误差达到0.039%,整个电路的静态电流为44μA。