高性能LDO设计及辐射加固

论文摘要

电源芯片的稳定性对功能电路的性能有很大影响。随着航天、航空和核能等应用的飞速发展,越来越多的电子系统需要工作在辐射环境中,时刻面临着辐射效应的威胁。暴露于辐射环境中的电源芯片在单粒子瞬变（Single Event Transients, SETs）作用下,将产生输出电压跳变,长时间偏离正常供电电平的情况。随着工艺尺寸的缩减,电源电压下降,SET引起的电压跳变占总输出电压的比率越来越大,对负载电路的不利影响日趋严重。因此,SET效应带来的电源稳定性问题成为抗辐射加固薄弱环节,研究高性能供电模块及其加固技术成为集成电路工程中面临的紧迫任务之一。LDO（Low Dropout Regulators）是电源类芯片中十分常用的一种,以其输出稳定而被广泛使用在芯片供电领域。通过分析,典型的LDO环路参数受到其结构限制,不能达到高性能的要求。因此,需要设计新的LDO电路结构,并基于此进行SET加固,最终实现一款SET加固的高性能LDO。本文根据SET效应对电路的影响,设计了一种新颖的LDO电路。本文的研究内容包括:1、基于经典LDO结构,借鉴电荷泵锁相环的环路控制理论,设计了一款具有新型电路结构的LDO模型,并分析推导了模型的环路参数,为LDO电路设计提供参数指标;2、根据推导出的新型LDO模型的环路参数,实现LDO中各个模块的具体电路,并对各个模块进行SET响应分析;3、根据设计完成的各个电路模块,实现LDO整体电路并微调至最佳性能,通过与同类电路[37]相关指标对比,输出超调量降低了22%50%,可承受的负载电流变化范围扩展了近3倍,证明本文设计的LDO具有较高的工作性能;4、根据各个模块的SET响应结果以及LDO整体电路的SET响应分析,对LDO电路进行加固设计,加固后LDO电路与同工艺下LDO相比,输出超调量降低了14%36%,具有较大的性能优势。此外,加固后LDO电路的SET敏感性得到改善:在轻载条件下,输出电压变化量的最大值降低了近76.9%,恢复时间最大值减少了78.3%;在重载条件下,LDO输出电压变化量的最大值降低了38.1%;在负载由重载-轻载跳变时,LDO输出电压变化量的最大值降低了58%,恢复时间最大值减少了65%。根据上述模拟验证,证明加固后的LDO具有良好的工作性能和较低的SET敏感性;5、基于0.13μm CMOS工艺实现LDO版图,并通过模拟验证,证明其工作性能良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 SET 对电路的影响
• 1.2 LDO 应用介绍
• 1.2.1 电源模块的选用
• 1.2.2 LDO 的发展现状
• 1.2.3 典型LDO 介绍
• 1.2.4 LDO 的评价指标
• 1.3 本文的研究工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 电路模型分析
• 2.1 LDO 分析模型
• 2.2 LDO 电路的PSRR 分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 LDO 电路模块的实现
• 3.1 运算放大器的实现
• 3.1.1 运算放大器的设计
• 3.1.2 运算放大器的SET 响应
• 3.2 跨导放大器的实现
• 3.2.1 跨导放大器的设计
• 3.2.2 跨导放大器的SET 响应
• 3.3 功率管的实现
• 3.3.1 功率管的设计
• 3.3.2 功率管的SET 响应
• 3.4 偏置电路的实现
• 3.4.1 偏置电路的设计
• 3.4.2 偏置电路的SET 响应
• 3.5 带隙基准的实现
• 3.5.1 电压基准的设计
• 3.5.2 电流基准的设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 LDO 整体电路性能分析
• 4.1 LDO 整体电路的常规性能
• 4.2 LDO 的SET 响应
• 4.3 LDO 的SET 加固
• 4.4 本章小结
• 第五章 版图实现与验证
• 5.1 版图设计考虑因素
• 5.2 版图设计方法
• 5.3 LDO 版图实现
• 5.3.1 运算放大器与跨导放大器的版图实现
• 5.3.2 功率管的版图实现
• 5.3.3 电流基准的版图实现
• 5.3.4 LDO 整体版图
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表和撰写的论文