低功耗快速響應(yīng)的片上集成LDO研究.pdf

1、為了實(shí)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(diǎn)。針對不同應(yīng)用，本文對片上集成 LDO的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，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(jìn)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

2、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

3、路可以提供與運(yùn)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(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。該LDO在0.35μm工藝下實(shí)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(fù)載電流。在輕載下，LDO的靜態(tài)電流僅為1.2μA。當(dāng)負(fù)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

4、.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(yùn)算放大器采用了基于翻轉(zhuǎn)電壓跟隨器的AB類運(yùn)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(fù)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(yùn)算放大器輸出電流來提升LDO的增益帶寬積以及功率管

5、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(fù)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(shí)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(bǔ)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(fù)載電流，提出了基于自適應(yīng)偏置電路的LDO。在輕負(fù)載時，所提出的自適應(yīng)偏置電路僅提供0.1μA偏置電流，實(shí)現(xiàn)低功耗并保證LDO

6、穩(wěn)定。在中負(fù)載到重負(fù)載時，自適應(yīng)偏置電路提供2.5μA電流以擴(kuò)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(fù)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(shí)現(xiàn)，根據(jù)測試結(jié)果，LDO最小負(fù)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(fù)載電流從1μA切換到100 mA時，片上集成LDO的電壓尖峰小于1

7、20 mV，并可以在1.7μs時間內(nèi)完全恢復(fù)。
　　最后，為了提升運(yùn)算放大器驅(qū)動大容性負(fù)載的能力，提出內(nèi)嵌電容倍增增益提高補(bǔ)償技術(shù)。內(nèi)嵌電容倍增器在顯著降低補(bǔ)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(diǎn)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(yùn)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(jìn)而成的轉(zhuǎn)換速率增強(qiáng)電路。驗(yàn)