【摘要】：為了實現(xiàn)片上系統(tǒng)的本地電壓調(diào)節(jié),降低系統(tǒng)成本,減少焊盤連接線寄生電感和電阻對系統(tǒng)的影響,低功耗快速響應(yīng)的片上集成低壓差調(diào)整器(low-dropout regulator,LDO)在近年逐漸成為研究熱點。針對不同應(yīng)用,本文對片上集成LDO的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式進行了研究和設(shè)計,對片上集成LDO的靜態(tài)電流、瞬態(tài)響應(yīng)性能和芯片面積等多方面性能進行了優(yōu)化,主要包含以下四個方面的內(nèi)容。第一,功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率是決定片上集成LDO瞬態(tài)響應(yīng)性能的主要因素。為了打破功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率和靜態(tài)功耗的折中關(guān)系,提出了輔助推挽輸出級電路。輔助推挽輸出級電路作為一個可插拔的模塊,由輸出電壓過沖檢測電路,輸出電壓下沖檢測電路和兩個相應(yīng)的驅(qū)動電路構(gòu)成。輔助推挽輸出級電路開啟和關(guān)閉由輸出電壓過沖和下沖檢測電路自動控制,響應(yīng)速度快。當(dāng)LDO穩(wěn)定輸出時,輔助推挽輸出級關(guān)閉,因此輔助推挽輸出級不會影響LDO的頻率響應(yīng)。在瞬態(tài)響應(yīng)期間,當(dāng)輸出電壓的過沖或者下沖大于設(shè)定值時,輔助推挽輸出級電路可以提供與運算放大器的輸出電流成比例的額外的電流,提高功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率。因此,基于輔助推挽輸出級電路的片上集成LDO可以在保持低功耗的同時,實現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。該LDO在0.35μm工藝下實現(xiàn),根據(jù)測試結(jié)果,可以在電源電壓為1.2 V,輸出電壓為1V時,產(chǎn)生100μA到100 mA的負載電流。在輕載下,LDO的靜態(tài)電流僅為1.2μA。當(dāng)負載電流從100μA切換到100 mA時,該片上集成LDO的電壓尖峰小于270 mV,并可以在2.7μs時間內(nèi)完全恢復(fù)。第二,為了在低功耗的條件下,改善瞬態(tài)響應(yīng)性能,并減少輕載和滿載之間的輸出電壓下降,提出了基于自適應(yīng)輸出級電路的片上集成LDO。LDO的運算放大器采用了基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器的AB類運算放大器,可以在低靜態(tài)電流下提高功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率。在輕載時,自適應(yīng)輸出級電路斷開,以維持LDO的穩(wěn)定性。當(dāng)負載電流IL高于3 mA時,自適應(yīng)輸出級電路提供額外的4倍AB類運算放大器輸出電流來提升LDO的增益帶寬積以及功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率。此外,為了降低輕載和滿載之間的輸出電壓下降,自適應(yīng)輸出級電路引入了一個特定的偏移量來抵消由負載電流增加引起的輸出電壓下降。因此,LDO可以在超低功耗下實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng),輕載和滿載之間的輸出電壓差大大降低,同時也可以在不需要任何補償電容的條件下保持穩(wěn)定。第三,為了降低片上集成LDO的最小負載電流,提出了基于自適應(yīng)偏置電路的LDO。在輕負載時,所提出的自適應(yīng)偏置電路僅提供0.1μA偏置電流,實現(xiàn)低功耗并保證LDO穩(wěn)定。在中負載到重負載時,自適應(yīng)偏置電路提供2.5μA電流以擴展增益帶寬積和提高功率柵極轉(zhuǎn)換速率。為了提升LDO在極輕載下的瞬態(tài)響應(yīng)性能,當(dāng)LDO從中載或重載切換到輕載時,自適應(yīng)偏置電路提供一個逐漸遞減的負載電流,使輸出電壓快速恢復(fù)到穩(wěn)定值。該片上集成LDO在0.13μm工藝下實現(xiàn),根據(jù)測試結(jié)果,LDO最小負載電流僅為1μA,可以在1 V電源下提供0.8 V輸出電壓,當(dāng)負載電流從1μA切換到100 mA時,片上集成LDO的電壓尖峰小于120 mV,并可以在1.7μs時間內(nèi)完全恢復(fù)。最后,為了提升運算放大器驅(qū)動大容性負載的能力,提出內(nèi)嵌電容倍增增益提高補償技術(shù)。內(nèi)嵌電容倍增器在顯著降低補償電容的大小的同時,引入額外偏置電流提升內(nèi)嵌跨導(dǎo),減小非主極點對的品質(zhì)系數(shù),此外在瞬態(tài)響應(yīng)期間,放大器第一級的輸出級晶體管始終處于飽和區(qū),有利于電路的快速恢復(fù)。此外,為了在低功耗條件下提高運算放大器的轉(zhuǎn)換速率和減少建立時間,提出了由輔助推挽輸出級改進而成的轉(zhuǎn)換速率增強電路。驗證結(jié)果顯示,運算放大器的靜態(tài)電流為13.5μA,當(dāng)負載電容為1000 pF,輸入信號從0.3 V快速切換到0.9 V時,1%建立時間僅為1.1μs。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM44

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