一个快速瞬态响应无片外电容LDO设计

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1、工程硕士学位论文一个快速瞬态响应无片外电容LDO设计作者姓名王超工程领域集成电路工程校内指导教师姚若河教授校外指导教师邝国华研究员所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月ADesignofFastTransientResponseCapacitor-lessLowDropoutRegulatorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangChaoSupervisor：Prof.YaoRuoheResearchFellow：KuangGuohuaSouthChinaU

2、niversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TN4学校代号：10561学号：201621010298华南理工大学硕士学位论文一种快速瞬态响应无片外电容LDO设计作者姓名：王超指导教师姓名、职称：姚若河教授；邝国华研究员申请学位级别：工程硕士工程领域名称：集成电路工程论文形式：□产品研发□工程设计☑应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：集成电路设计论文提交日期：2018年4月12日论文答辩日期：2018年6月1日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：刘玉荣委员：姚若河耿魁

3、伟邓畅光林晓玲摘要随着各类电子行业快速发展，电源管理芯片得到巨大的应用需求，低压差线性稳压器（LowDropoutRegulator,LDO）因结构简单、精度高、响应快速等优点，成为了应用较为广泛的一类。传统LDO在芯片外接一个大电容来提升稳定性和瞬态响应能力，而伴随SoC系统芯片的发展，单个芯片中多个LDO同时供给电源，需要去掉传统LDO的外接电容来减小芯片面积和PCB板面积，提高集成度。因此，无片外电容LDO成为了研究的热点。本文对LDO的稳定性进行了分析，传统LDO去掉接于输出端的片外电容，系统环路的零极点位置会发生改变，不能够保证负

4、载变化时在相应状态下的稳定。针对稳定性问题，通过在传统结构的误差放大器和功率管之间添加输出阻抗非常低的缓冲器，将功率管栅极极点的位置控制在高频范围，忽略该极点对环路稳定性的影响，并采用补偿电容进行频率补偿，保证了足够的相位裕度，实现了LDO在负载工作范围内所有状态下的稳定。此外，传统LDO去掉外接电容，输出端的负载电容较小，在负载瞬态变化时，负载电容上的电荷充放电提供的电流不能够进行足够的补偿，输出电压的过冲和下冲较大，瞬态性能较差。针对瞬态响应问题，本文提出了一种瞬态提升电路。负载的瞬态变化导致LDO输出的瞬态改变，经过反馈会引起误差放大

5、器输出端电压的改变，电路通过检测误差放大器输出端电压的改变，增加对功率管栅极电容的充放电电流，使功率管的状态能够迅速匹配负载，功率管的输出电流对负载进行补偿，系统输出能够快速稳定，提升了LDO瞬态响应的能力。本文电路基于TSMC0.18μm标准CMOS工艺设计实现，稳定性仿真显示在宽负载范围内环路相位裕度大于60°；输入电压范围为2V~3.6V，输出电压为1.8V，实际最小压差为120mV；负载于1μs内在0和100mA之间变化时，输出过冲和下冲小于41mV。针对主体电路本文进行了版图设计，并对主要性能作后仿，仿真结果显示负载于1μs内在0

6、和100mA之间变化时，输出过冲和下冲小于56mV。关键词：无片外电容LDO；低压差线性稳压器；瞬态提升电路；快速瞬态响应本文研究工作得到广东省科技计划项目（2015B090909001）的资助。IAbstractWiththerapiddevelopmentofvarioustypesofelectronicindustries,therehavebeengreatapplicationrequirementsforpowermanagementchips.Lowdropoutregulators(LDOs)havebecomewidel

7、yusedbecauseoftheiradvantagessuchassimplestructure,highprecision,andfastresponse.ForaconventionalLDO,alargecapacitorisaddedtotheoutsideofthechiptoenhanceitsstabilityandtransientresponsecapability.WiththedevelopmentofSoCsystemchips,multipleLDOsareusedtosupplyvoltagesatthesa

8、metimeinonechip,itisnecessarytoremovetheexternalcapacitorsofconventionalLDOstoreducechipa