高稳定性快速瞬态响应片上集成LDO的研究与设计

摘要

线性稳压器(LDO)作为电源管理IC中的重要一员，以其低成本、低噪声、快速瞬态响应等优点广泛应用于电子设备中。LDO可分为有外接电容和无外接电容（片上集成）两类。随着SOC技术的发展，各种功能集成在一颗芯片上，LDO集成在芯片内部可提升芯片的供电性能，节约成本。所以片上集成LDO是目前的研究热点。而去除外接电容后的设计难点在于LDO在全负载范围内的稳定性和负载瞬态响应性能。
　　本文以LDO的高稳定性和快速瞬态响应特性为研究重点，通过公式推导分析了三级结构的片上集成LDO频率特性以及嵌套米勒补偿(Nested Miller Compensation，NMC)原理及其稳定条件。设计了一种基于改进的增强型AB跟随器的LDO电路，将增强型AB跟随器改为动态偏置电流电路，加快瞬态响应，并利用嵌套米勒补偿保证负载电流大于100μA时有大于60°的相位裕度。设计了一种基于推挽电路的LDO，推挽电路具有正向增益的低输出电阻，将第二级和第三级的极点设计为共轭复极点，合理设计缓冲级的增益和输出电阻可将这两个次极点设计在单位增益带宽之外，从而保证环路具有足够的相位裕度。对片上集成LDO的瞬态增强的原理进行分析总结得出，PMOS调整管栅极电压的调整速度是影响LDO的瞬态性能的重要因素。因此本文提出了一种瞬态增强电路，其通过RC电路检测输出电压在负载跳变时的过冲或下冲，将其放大并转换为脉冲电流，对调整管栅极电容充电或放电，缩短调整过程，减小输出电压变化。使用HSPICE进行仿真验证，设计的基于增强型AB跟随器的LDO电路，在负载电容为0～100pF范围内，负载电流在100μA～100mA内相位裕度大于60°。当负载电流以99mA/μs跳变，输出电压最大下冲70mV，最大过冲103mV，平均1.37μs恢复稳定，静态电流仅15μA。基于推挽电路的LDO仿真结果表明，在负载电容为0～100pF内，本LDO在全负载范围内都有大于60°的相位裕度。负载以99mA/μs跳变时，输出电压最大下冲51mV，最大过冲43mV，平均恢复时间1.28μs。静态电流30μA。从理论推导和仿真结果可以看出，基于嵌套型米勒补偿的LDO电路在稳定性和瞬态响应性能上具有一定的优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 片上集成LDO研究现状和发展趋势

1．3 论文主要工作

第2章 LDO的工作原理和性能指标

2．1 LDO的工作原理

2．2 LDO的性能指标

2．2．1 压差

2．2．2 静态电流

2．2．3 效率

2．2．4 负载瞬态响应

2．2．5 负载调整率

2．2．6 线性调整率

2．2．7 电源抑制比

2．2．8 精度

2．3 本章小结

第3章 片上集成LDO稳定性和瞬态响应分析

3．1 负反馈系统稳定性分析

3．2 片上集成LDO稳定性分析

3．2．1 三级放大的LDO频率特性分析

3．2．2 本文所用补偿方法原理分析

3．3 瞬态响应特性分析

3．3．1 动态偏置电流方式

3．3．2 调整管栅极驱动方式

3．3．3 本文采用的瞬态响应增强方法

3．4 小结

第4章 基于增强型AB跟随器的片上集成LDO设计

4．1 电路设计与工作原理

4．1．1 误差放大级电路设计

4．1．2 增强型AB跟随器电路

4．1．3 瞬态增强电路

4．1．4 调整管设计

4．1．5 稳定性分析

4．2 电路仿真验证与分析

4．2．1 交流稳定性仿真验证

4．2．2 负载瞬态响应仿真验证

4．2．3 其他指标仿真验证

4．3 小结

第5章 基于推挽级的片上集成LDO设计

5．1 电路设计与工作原理

5．1．1 推挽级电路设计

5．1．2 瞬态增强电路

5．1．3 调整管设计

5．1．4 稳定性分析

5．2 电路仿真验证与分析

5．2．1 交流稳定性仿真验证

5．2．2 负载瞬态响应仿真验证

5．2．3 其他指标仿真验证

5．3 小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文