无片外电容的LDO线性稳压器的研究与设计

摘要

越来越多的功能被集成到芯片、印刷电路板和电子器件中，每个模块都需要专门的稳压器供电。传统低压差线性稳压器（LDO）需要外接一个较大的微法量级的片外电容，依靠输出端外接电容的串联等效电阻（ESR）为系统补偿第一个次极点，以保持系统的稳定性。
　　 本文提出了一个无片外电容的LDO线性稳压器的结构的解决方案。去掉了传统的LDO所使用的较大的片外电容，减小了板上面积及成本，同时也减少了芯片引脚，提高了电源管理系统的集成度。仿真结果表明，电路在0-100mA负载电流范围内的相位裕度均大于60度，增益裕度大于10dB，同时具有较好的负载瞬态响应，在1kHz的PSRR为57dB，100kHz的PSRR为50dB。整体面积为0.22m㎡，静态电流为200μA。
　　 本设计首先根据系统要求提出设计指标，然后在分析电路工作原理及性能参数的基础上，重点解决了稳定性及瞬态响应存在的问题，接着给出电路晶体管结构，进行详细的仿真及优化。最后完成版图设计和物理验证，交付代工厂流片并测试。
　　 本文的设计重点在于去掉片外电容之后，解决电路在全负载范围内的稳定性及瞬态响应问题。提出了一个快速通路作为补偿电路，保证其瞬态响应以及稳定性。同时设计了过压保护电路来防止输出电压过高对晶体管的影响。
　　 本芯片已在SMIC0.13μm流片成功并测试，能够以IP在其他不同应用中使用，可以根据不同的需求调整电路的驱动能力，降低电路的功耗及而积，提高电路的效率。
　　 本文着眼于无片外电容LDO线性稳压器的设计，在设计过程中降低了功耗与面积，研究成果对无片外电容LDO的电路设计、版图设计有很好的参考价值，为SoC设计提供一定的借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电源管理电路简介

1.3 国内外研究发展现状

1.4 本文的研究内容及结构

第2章 LDO电路原理

2.1 LDO的工作原理

2.2 LDO的性能参数

2.2.1 驱动电流

2.2.2 效率η

2.2.3 静态电流Iq

2.2.4 压降（Dropout voltage）Vdropout

2.2.5 负载调整率（Load Regulation rate）

2.2.6 线性调整率（Line Regulation Rate）

2.2.7 电源抑制比（PSRR）

2.2.8 精度（Accuracy）

2.3 无片外电容LDO的设计重点

2.4 本章小结

第3章 无片外电容LDO的系统分析

3.1 无片外电容LDO的稳定性分析

3.1.1 稳定性的概念

3.1.2 无片外电容LDO的稳定性分析

3.2 无片外电容LDO的瞬态响应分析

3.2.1 负载瞬态响应

3.2.2 无片外电容LDO的瞬态响应分析

3.3 无片外电容LDO的稳定性及瞬态响应解决方法

3.3.1 稳定性解决方法

3.3.2 瞬态响应解决方法

3.4 本章小结

第4章 无片外电容LDO的电路设计及仿真

4.1 LDO的设计

4.1.1 LDO电路稳定性分析与设计

4.1.2 LDO电路瞬态响应分析与设计

4.1.3 LDO的电路设计

4.1.4 LDO的仿真

4.2 过压保护电路的设计与仿真

4.3 带隙基准电压源的设计与仿真

4.3.1 带隙基准电压源的设计原理

4.3.2 带隙基准电压源的仿真结果

4.4 本章小结

第5章 无片外电容LDO的版图设计

5.1 版图设计的主要流程

5.2 版图设计的注意事项

5.2.1 对称性及匹配

5.2.2 天线效应

5.2.3 闩锁效应

5.3 LDO的版图设计

5.4 LDO版图的物理验证

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢