由于傳統(tǒng)LDO(Low Dropout Regulator)有著較大的片外電容,無法和片上系統(tǒng)(SoC)的發(fā)展趨勢結(jié)合,因而無片外電容LDO成為當(dāng)下發(fā)展應(yīng)用的主流。與傳統(tǒng)LDO相比,無片外電容LDO由于缺少了較大的輸出電容,在環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性上存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。而且在SoC應(yīng)用中,有許多電路需要電源在極短時(shí)間內(nèi)提供一個(gè)大電流,這對(duì)無片外電容LDO設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文研究針對(duì)極快負(fù)載變化應(yīng)用的無片外電容LDO設(shè)計(jì)。首先,本文基于對(duì)LDO瞬態(tài)響應(yīng)過程的計(jì)算和分析,使用NMOSFET作為功率管以提高響應(yīng)速度、限制極快負(fù)載變化條件下的輸出欠沖和上沖幅度。為保證NMOS功率管有合適的電壓裕度,論文還設(shè)計(jì)了一個(gè)集成電荷泵以及為電荷泵提供時(shí)鐘信號(hào)的高精度頻率可調(diào)振蕩器。其次,誤差放大器采用差分柵耦合對(duì)組合的方式實(shí)現(xiàn),采用動(dòng)態(tài)偏置和靜態(tài)偏置組合的偏置方式,以節(jié)省功耗提高效率,并獲得更高的系統(tǒng)帶寬和壓擺率,同時(shí)將LDO環(huán)路的低頻主極點(diǎn)設(shè)置在功率管柵端以提高帶寬。第三,引入了一條通過電容耦合高速動(dòng)態(tài)信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)快速通路,當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)變化速度大于或遠(yuǎn)大于LDO帶寬時(shí),直接將LDO輸出端的交流信號(hào)饋入到功率管驅(qū)動(dòng)電路中,極大提高了LDO瞬態(tài)響應(yīng)速度。論文基于華宏0.11μm 5.5V高壓CMOS工藝完成了原型芯片的電路設(shè)計(jì)與仿真。仿真結(jié)果表明,在-25℃~125℃內(nèi),輸入電壓范圍2V~5V,輸出電壓1.5V,典型情況下最低靜態(tài)電流消耗為86μA,在極快負(fù)載變化(50μA~50mA@100ps)下獲得了較為優(yōu)秀的瞬態(tài)響應(yīng)特性,最大輸出電壓欠沖466mV,輸出電壓上沖333mV。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN402
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文6計(jì)了如圖1-1所示的LDO，誤差放大器和LDO輸出端均有上拉和下拉兩條通路，在增大環(huán)路增益提高精度的同時(shí)，對(duì)于功率器件柵端（或基極）的充放電具有加速的效果，提高了 LDO 瞬態(tài)響應(yīng)速度。圖 1-1 一種使用 Class-AB 驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的 LDO 電路示意圖[35]文獻(xiàn)[36]中提出了一種基于共柵極放大器，采用動(dòng)態(tài)偏置的無片外電容NMOS LDO，提高帶寬和壓擺率，實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)降低輕載時(shí)的功耗，提高了效率。電路如圖 1-2 所示：圖 1-2 一種采用動(dòng)態(tài)偏置的瞬態(tài)增強(qiáng) LDO 電路實(shí)

圖 1-1 一種使用 Class-AB 驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的 LDO 電路示意圖[35]文獻(xiàn)[36]中提出了一種基于共柵極放大器，采用動(dòng)態(tài)偏置的無片外電容NMOS LDO，提高帶寬和壓擺率，實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)降低輕載時(shí)的功耗，提高了效率。電路如圖 1-2 所示：

和壓擺率（SlewRate,SR）。為了增強(qiáng)帶寬和 SR，誤差放大器采用共柵極—折疊共源共柵（Foldcascadecommon-gate）結(jié)構(gòu)。相比于柵極輸入，源極輸入的輸入阻抗更低，最大輸出電流不受尾電流限制，響應(yīng)速度更快，更適用于快速響應(yīng)設(shè)計(jì)中。采用兩個(gè)跨導(dǎo)放大器，兩倍的差分?jǐn)[幅被放大，獲得了兩倍的總跨導(dǎo)，可以獲得兩倍于傳統(tǒng)折疊共源共柵電流（FoldCascode）的單位增益帶寬（UnitGainBandwidth，UGB），實(shí)現(xiàn)接近于兩倍的增益和速度。MS為動(dòng)態(tài)偏置采樣管鏡像功率管MN，產(chǎn)生的 經(jīng)過 M11、M12 鏡像后，由MDB0比例鏡像到MDB1~MDB4，改變誤差放大器的偏置電流。在輕負(fù)載條件下，減小誤差放大器的偏置電流以減小功耗。在負(fù)載電流增大后的短時(shí)間內(nèi)，誤差放大器的偏置電流提高，環(huán)路帶寬和SR 提升，系統(tǒng)響應(yīng)速度提升。而文獻(xiàn)[37]介紹了一種較為新穎的結(jié)構(gòu)，利用數(shù)字LDO輔助提高瞬態(tài)響應(yīng)。電路示意圖如圖 1-3 所示：

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本文編號(hào)：2831847