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无电容型低压差线性稳压器的研究

曹龙兵  
【摘要】:随着手机、平板、智能手环等便携设备向着小型化、多功能方向发展,片上系统(system on chip,SoC)如今成为集成电路设计者的热门研究方向。传统的DC-DC稳压器由于需要片外大电感,难以实现片上集成;而LDO(Low Dropout Regulator),也称为低压差线性稳压器,因为应用简单、便于集成的特点被广泛应用在各种场合。由于传统LDO需要依靠片外电容的寄生电阻来保证系统的稳定性,同样难以被片上系统集成。于是研究人员提出了无电容型LDO,无需片外大电容,适合于SoC系统。但也正是由于输出没有大电容,无电容型LDO在稳定性和瞬态响应等方面具有诸多缺陷,对设计者提出了更严峻的挑战。因此如何在合理的功耗下设计出高性能的无电容型LDO芯片成了当下设计者研究的热点。本文详细研究了无电容型LDO的零极点分布和环路补偿方案,特别对Q-reduction环路补偿方案进行了研究及优化。围绕无电容型LDO的电源抑制特性(Power Supply Rejection,PSR)以及负载瞬态响应性能,分别进行了深入的研究,并提出了相应的改进电路。传统LDO的PSR性能由于系统带宽的限制,在高频下会迅速恶化,本文在对PSR性能进行了详细分析的基础上提出了负电容产生电路(Negative Capacitance Circuit,NCC)进行改善。针对无电容型LDO瞬态响应特性较差的缺陷,本文在瞬态脉冲检测(Transient Pulse Detection,TPD)的基础上提出了一种改进电路,在不增加静态功耗的前提下改善了系统的瞬态特性。另外,带隙基准(Bandgap)作为LDO中的重要模块,它的性能严重影响着整体LDO的特性,因此本文围绕带隙基准的PSR性能,采用局部负反馈原理产生一个局部电压,从而显著提高了基准电压源的PSR特性,使得整体LDO电路的性能得到了保证。基于以上研究,本论文采用GSMC 0.13μm RF工艺设计了一款高PSR、快速瞬态响应的无电容型低压差线性稳压器,可以应用在射频SoC芯片中。论文对带隙基准参考电路、偏置电路、误差放大器、PSR增强电路以及瞬态响应改善电路等模块进行了具体的分析,并基于Virtuoso软件对整体电路进行了仿真。从结果中可以看出,本文设计的无电容型LDO正常工作电压范围为2-3.3V,输出电压为1.8V;电路可在100μA-50mA的负载电流范围内稳定工作;PSR在1KHz时仍能达到-69dB,负载电流从100μA突变到50mA时输出下冲和上冲电压分别为88mV和82mV,电路正常工作的最小压差在200mV以下。


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