一种快速瞬态响应的ldo设计与实现(附件)【字数：9427】
摘 要本文设计了一种带摆率提高电路的无电容式低压差线性稳压器(LDO)。主要功能为在稳压器的输出电压出现瞬态变化时，相应的摆率提高电路在短时间内便能快速的增大误差放大器的偏置电流。所以功率管栅端摆率的提高大幅度提升了LDO的瞬态响应特性。然后基于标准0.18CMOS工艺库，进行无电容低压差线性稳压器电路的设计与实现，最后对电路进行仿真。由仿真结果可知，LDO电路的消耗电流大约是42uA。并且当负载电流为100mA而输入电压在1.4V-1.8V范围内时，输出端的输出电压将稳定在1.15V。并且，当负载电流的摆率为99mA/1us时，LDO输出电压的下冲量和过冲量分别为120mV/130mV，其各自对应的稳定时间为1.197us/1.272us。由此可知，带摆率提高电路的无电容式低压差线性稳压器与典型的LDO电路结构相比，在瞬态响应特性方面约有57.6%的改善。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本文研究背景 1
1.2 领域研究现状 2
1.3 本文组织结构 3
第二章 LDO系统及性能指标分析 4
2.1 LDO线性稳压器的系统结构 4
2.2 LDO瞬态响应分析 5
2.3 LDO设计指标分析 7
2.3.1 静态电流 7
2.3.2 负载调整率 7
2.3.3 线性调整率 8
2.3.4 瞬态特性 8
2.4 本次LDO主要设计指标 9
第三章 摆率提高电路 10
第四章 无电容LDO控制器 11
第五章 仿真结果 14
第六章 版图设计与后仿结果 22
6.1 版图设计 22
6.2 后仿验证 23
6.2.1 直流仿真 23
6.2.2 瞬态仿真 23
6.2.3 后仿结果对比 24
第七章 结论 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 本文研究背景
随着电子工业的飞速发展电子产品的普 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
及，对于电源的管理显得越来越重要。先进的手持式电池供电应用就要求有相应的电源管理技术以延长电池的使用寿命，从而最大限度的延长电子设备的工作时间。其中，输出电压低纹波以及快速动态响应特性使得低压差线性稳压器(LDO)在如今的电源管理应用中扮演着非常重要的角色。当前，电子工业方面正致力于包含电源管理电路在内的完整片上系统(SOC)的研究。因此，探索方 向集中于怎样实现应用于SOC的低电容或是无电容LDO结构。但是如图11所示的无电容LDO的电路在实际运作中存在诸多挑战。即当电路中输出大电容被去除之后，电路在瞬态响应方面将会出现问题。由于输出电容的缺失，当负载瞬态变化时，电路的输出端就会出现过冲或是下冲。因为无电容LDO电路的瞬态响应速度取决于功率管(Mp)栅端的压摆率(SR)，所以当SOC为实现节省电量而采用自适应供电时，Mp管栅端的SR将会是一个很大的量。在[10]中所提及的电路拓扑结构中，Mp管栅端的SR取决于误差放大器(EA)的偏置电流(Ib)的大小。因而如要解决上述压摆率极限问题，实现LDO的快速瞬态响应便具有很重要的现实意义。
/
图11 无电容LDO基本电路结构
1.2 领域研究现状
当前，为了解决Mp管栅极的压摆率极限问题，以实现电路的快速动态响应，国内外诸多的研究人员先后提出了很多的解决方案。Hazucha等人一起提出了采用与负载电流(Io)无关的大偏置电流（6mA）来解决这个问题，如下图12(a)所示。同时，他在所设计的LDO输出端加上了600pF的片上输出电容，以驱动最大值为100mA的Io[10]。可惜的是，这种方法对于省电，低功耗以及芯片面积受限的SOC应用并不适用。自适应偏置方案的重点在于依据Io的大小来改变偏置电流，如图12(b)所示[5,6,7,8]。而Man等人提出了采用动态偏置这个方案。即当Io发生变化的瞬间，EA将采用更大的偏置电流，如图12(c)所示。
/图12 (a)恒定偏置[4] (b)自适应偏置[5],[6],[7],[8] (c)动态偏置[9],[10]
该误差放大器采用推挽输出级结构以通过更大的充放电电流。推挽输出级用差分输入共栅放大器来驱动。采用这种方法便可实现更大的偏置电流从而解决摆率极限问题。然而，差分共栅放大器的输入共模范围有限，更重要的是它的带宽有限。因而，差分共栅放大器不能有效地检测到在快速突变中的瞬态电压。此外，片上大电阻以及大电容会大大增加芯片面积。而且当负载电流不是最小值时，偏置电流却依然保持着大电流偏置，所以在低功耗应用方面，动态偏置方案比自适应偏置更适用。也就是说，相较于自适应偏置，动态偏置的电流效率更高。
参照以上的研究现状可知，在负载电流发生瞬态变化时，为解决摆率极限问题，就需要为误差放大器提供额外的偏置电流。而当负载电流处于稳态时，电路就不需要始终保持大偏置电流。由于动态偏置方案更高的电流效率其更适用于低功耗的SOC应用。因此，本文致力于设计实现无电容补偿的LDO电路。即采用简单有效的摆率提高电路来实现动态偏置。而摆率提高电路则利用LDO输出端快速瞬态变化的电压来在短时间内迅速增加误差放大器的偏置电流来提高Mp管栅端摆率，从而改善LDO的瞬态响应特性。
1.3 本文组织结构
为将本文的内容清晰而条理的呈现，并使得各个部分的内容衔接有序得当，本文结构将按以下顺序进行组织：
第一章，“绪论”。本章节的主要内容为无电容式LDO的应用背景及研究现状。
第二章，“LDO系统分析及性能指标”。对典型的LDO电路结构进行分析，与此同时，详细说明电路大信号响应。此外，给出衡量电路性能的关键参数以及本设计的拟定设计指标。
第三章，“摆率提高电路”。给出摆率提高电路的具体电路结构，同时对LDO结构进行调整，给出调整后的LDO电路结构。
第四章，“无电容LDO控制器”。首先，在前三章的基础之上，设计完成LDO整体电路结构，说明电路瞬态响应的详细过程。其次，给出电路中的参考电压和参考电流以产生电路结构。
第五章，“仿真结果”。在整体电路设计完成之后，对电路进行仿真，验证电路功能，获取相关性能指标。
第六章，“性能指标计算与对比”。依据仿真结果计算得出LDO性能关键指标。
第七章，“总结”。结合上一章仿真计算结果，总结设计结果。
第二章 LDO系统及性能指标分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本文研究背景 1
1.2 领域研究现状 2
1.3 本文组织结构 3
第二章 LDO系统及性能指标分析 4
2.1 LDO线性稳压器的系统结构 4
2.2 LDO瞬态响应分析 5
2.3 LDO设计指标分析 7
2.3.1 静态电流 7
2.3.2 负载调整率 7
2.3.3 线性调整率 8
2.3.4 瞬态特性 8
2.4 本次LDO主要设计指标 9
第三章 摆率提高电路 10
第四章 无电容LDO控制器 11
第五章 仿真结果 14
第六章 版图设计与后仿结果 22
6.1 版图设计 22
6.2 后仿验证 23
6.2.1 直流仿真 23
6.2.2 瞬态仿真 23
6.2.3 后仿结果对比 24
第七章 结论 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 本文研究背景
随着电子工业的飞速发展电子产品的普 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
及，对于电源的管理显得越来越重要。先进的手持式电池供电应用就要求有相应的电源管理技术以延长电池的使用寿命，从而最大限度的延长电子设备的工作时间。其中，输出电压低纹波以及快速动态响应特性使得低压差线性稳压器(LDO)在如今的电源管理应用中扮演着非常重要的角色。当前，电子工业方面正致力于包含电源管理电路在内的完整片上系统(SOC)的研究。因此，探索方 向集中于怎样实现应用于SOC的低电容或是无电容LDO结构。但是如图11所示的无电容LDO的电路在实际运作中存在诸多挑战。即当电路中输出大电容被去除之后，电路在瞬态响应方面将会出现问题。由于输出电容的缺失，当负载瞬态变化时，电路的输出端就会出现过冲或是下冲。因为无电容LDO电路的瞬态响应速度取决于功率管(Mp)栅端的压摆率(SR)，所以当SOC为实现节省电量而采用自适应供电时，Mp管栅端的SR将会是一个很大的量。在[10]中所提及的电路拓扑结构中，Mp管栅端的SR取决于误差放大器(EA)的偏置电流(Ib)的大小。因而如要解决上述压摆率极限问题，实现LDO的快速瞬态响应便具有很重要的现实意义。
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图11 无电容LDO基本电路结构
1.2 领域研究现状
当前，为了解决Mp管栅极的压摆率极限问题，以实现电路的快速动态响应，国内外诸多的研究人员先后提出了很多的解决方案。Hazucha等人一起提出了采用与负载电流(Io)无关的大偏置电流（6mA）来解决这个问题，如下图12(a)所示。同时，他在所设计的LDO输出端加上了600pF的片上输出电容，以驱动最大值为100mA的Io[10]。可惜的是，这种方法对于省电，低功耗以及芯片面积受限的SOC应用并不适用。自适应偏置方案的重点在于依据Io的大小来改变偏置电流，如图12(b)所示[5,6,7,8]。而Man等人提出了采用动态偏置这个方案。即当Io发生变化的瞬间，EA将采用更大的偏置电流，如图12(c)所示。
/图12 (a)恒定偏置[4] (b)自适应偏置[5],[6],[7],[8] (c)动态偏置[9],[10]
该误差放大器采用推挽输出级结构以通过更大的充放电电流。推挽输出级用差分输入共栅放大器来驱动。采用这种方法便可实现更大的偏置电流从而解决摆率极限问题。然而，差分共栅放大器的输入共模范围有限，更重要的是它的带宽有限。因而，差分共栅放大器不能有效地检测到在快速突变中的瞬态电压。此外，片上大电阻以及大电容会大大增加芯片面积。而且当负载电流不是最小值时，偏置电流却依然保持着大电流偏置，所以在低功耗应用方面，动态偏置方案比自适应偏置更适用。也就是说，相较于自适应偏置，动态偏置的电流效率更高。
参照以上的研究现状可知，在负载电流发生瞬态变化时，为解决摆率极限问题，就需要为误差放大器提供额外的偏置电流。而当负载电流处于稳态时，电路就不需要始终保持大偏置电流。由于动态偏置方案更高的电流效率其更适用于低功耗的SOC应用。因此，本文致力于设计实现无电容补偿的LDO电路。即采用简单有效的摆率提高电路来实现动态偏置。而摆率提高电路则利用LDO输出端快速瞬态变化的电压来在短时间内迅速增加误差放大器的偏置电流来提高Mp管栅端摆率，从而改善LDO的瞬态响应特性。
1.3 本文组织结构
为将本文的内容清晰而条理的呈现，并使得各个部分的内容衔接有序得当，本文结构将按以下顺序进行组织：
第一章，“绪论”。本章节的主要内容为无电容式LDO的应用背景及研究现状。
第二章，“LDO系统分析及性能指标”。对典型的LDO电路结构进行分析，与此同时，详细说明电路大信号响应。此外，给出衡量电路性能的关键参数以及本设计的拟定设计指标。
第三章，“摆率提高电路”。给出摆率提高电路的具体电路结构，同时对LDO结构进行调整，给出调整后的LDO电路结构。
第四章，“无电容LDO控制器”。首先，在前三章的基础之上，设计完成LDO整体电路结构，说明电路瞬态响应的详细过程。其次，给出电路中的参考电压和参考电流以产生电路结构。
第五章，“仿真结果”。在整体电路设计完成之后，对电路进行仿真，验证电路功能，获取相关性能指标。
第六章，“性能指标计算与对比”。依据仿真结果计算得出LDO性能关键指标。
第七章，“总结”。结合上一章仿真计算结果，总结设计结果。
第二章 LDO系统及性能指标分析
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