【摘要】：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(pán)連接線寄生電感和電阻對(duì)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(duì)不同應(yīng)用,本文對(duì)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(duì)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(gè)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(jí)電路。輔助推挽輸出級(jí)電路作為一個(gè)可插拔的模塊,由輸出電壓過(guò)沖檢測(cè)電路,輸出電壓下沖檢測(cè)電路和兩個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。輔助推挽輸出級(jí)電路開(kāi)啟和關(guān)閉由輸出電壓過(guò)沖和下沖檢測(cè)電路自動(dòng)控制,響應(yīng)速度快。當(dāng)LDO穩(wěn)定輸出時(shí),輔助推挽輸出級(jí)關(guān)閉,因此輔助推挽輸出級(jí)不會(huì)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(guò)沖或者下沖大于設(shè)定值時(shí),輔助推挽輸出級(jí)電路可以提供與運(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(jí)電路的片上集成LDO可以在保持低功耗的同時(shí),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(cè)試結(jié)果,可以在電源電壓為1.2 V,輸出電壓為1V時(shí),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(shí),該片上集成LDO的電壓尖峰小于270 mV,并可以在2.7μs時(shí)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(mǎn)載之間的輸出電壓下降,提出了基于自適應(yīng)輸出級(jí)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(lèi)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(shí),自適應(yīng)輸出級(jí)電路斷開(kāi),以維持LDO的穩(wěn)定性。當(dāng)負(fù)載電流IL高于3 mA時(shí),自適應(yīng)輸出級(jí)電路提供額外的4倍AB類(lèi)運(yùn)算放大器輸出電流來(lái)提升LDO的增益帶寬積以及功率管柵極的轉(zhuǎn)換速率。此外,為了降低輕載和滿(mǎn)載之間的輸出電壓下降,自適應(yīng)輸出級(jí)電路引入了一個(gè)特定的偏移量來(lái)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(mǎn)載之間的輸出電壓差大大降低,同時(shí)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(shí),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穩(wěn)定。在中負(fù)載到重負(fù)載時(shí),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(shí),自適應(yīng)偏置電路提供一個(gè)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(cè)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(shí),片上集成LDO的電壓尖峰小于120 mV,并可以在1.7μs時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)。最后,為了提升運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)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(shí),引入額外偏置電流提升內(nèi)嵌跨導(dǎo),減小非主極點(diǎn)對(duì)的品質(zhì)系數(shù),此外在瞬態(tài)響應(yīng)期間,放大器第一級(jí)的輸出級(jí)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(shí)間,提出了由輔助推挽輸出級(jí)改進(jìn)而成的轉(zhuǎn)換速率增強(qiáng)電路。驗(yàn)證結(jié)果顯示,運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流為13.5μA,當(dāng)負(fù)載電容為1000 pF,輸入信號(hào)從0.3 V快速切換到0.9 V時(shí),1%建立時(shí)間僅為1.1μs。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM44

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本文編號(hào)：2733787