PRECISION-IMPROVED ALL-CONDITION-STABLE NMOS LDO REGULATOR WITH DYNAMIC REPLICA

基于动态镜像晶体管负载调解率提高的全条件稳定NMOS稳压器

王冠华

11649167

硕士

集成电路工程

詹陈长

2018-06-02

2018-07-06

哈尔滨工业大学

深圳

The thesis focuses on how to achieve the low dropout regulator all controlled stable. When the load capacitance is changed, the stability of the circu it does not change with the change of the load capacitance. At the same time, we also improve the load regulation of the low dropout regulation (LDO).Aiming at proposed Low dropout regulator, the thesis proposes a low power consumption CMOS reference volt age. Two different threshold NMOS transistors in parallel with the same V DS forced by a regulation loop are exploited to generate the highly stable reference voltage. The proposed sub threshold CMOS voltage reference (CVR) achieves low temperature coeffici ent (TC), high power supply rejection ratio (PSRR) and good line sensitivity over a wide temperature range. This CMOS reference voltage use TSMC 0.18µm CMOS process, and the chip area is 0.034 mm 2 . The test result shows: this circuit work environment over a temperature range of 40 to 140 o C. And the supply voltage range is 0.4 to 2.0V. The average temperature coefficient is 31 ppm/ o C, the line regulation is 156 ppm/V, and PSRR is 56dB, power consumption is 3.12nW.This NMOS low dropout regulator achieve all controlled stable as well as improving load regulator by adjusting dynamic replica transistor with detecting load current. The circuit implemented in TSMC 0.18µm CMOS process, the low dropout regulator achieve 1.2V input, 1.1V output. And the chip area is 0.038 mm 2 . Test result shows: the load regulation is 0.5mV/mA, the proposed design achieves 5 times better load regulation than the traditional design. The line regulation is 5mV/V. What’s more, the circuit could achieve all controlled stable and have a good transient response

随着技术爆炸的新世纪时代的到来，科学技术的发展微电子技术及半导体工艺持续迅猛发展，电源管理芯片己经应用于通信、计算机、汽车电子等诸多领域，随着便 携式尤其是穿戴式电子设备的普及，电源管理类芯片应用越来越广泛，导致用户端对其性能的要求不断地提高。线性稳压器以其极低的输入输出电压差、小的输出纹波、低的输出噪声、低静态电流以及低成本等优势，广泛应用于便携式电子产品中，比如，医疗、无线通讯工具、音频设备、 PDA（个人数字助理）以及汽车电子等。 在 LDO 的设计中，为了提高转换效率，同时要求输出负载的电流泄漏电压应尽可能小，这直接决定了调节管的尺寸。大尺寸将不可避免地导致大电容产生低频极点，并影响环路的稳定性。随着应用系统越来越复杂，电路要求 越来越严格 的稳定性；为 了实现绿色节能环保，延长电池的使用寿命，我们需要不断优化电路结构，提高芯片的效率；随着芯片应用环境越来越复杂，我们需要高可靠性的芯片保护电路设计满足各种情况下的工作。 本文紧跟技术发展动向，瞄准在电源管理集成电路中占有率极大的低压差线性稳压器，关注如何优化电路设计、提高芯片负载能力、减小静态功耗，着重研究如何实现低压差稳压器全条件的稳定性，在负载电容发生改变时，电路稳定性不随负载电容的改变而改变，并设计在保持稳定性的同时提高电路的负载调节率。更针对线性稳压器提出超低功耗的 C MOS 参考源 电压电路。本论文中设计的 NMOS 低压差线性稳压器 由电荷泵、运放、功率管、镜像功率管、反馈环路及电流检测电路组成，电荷泵电路为运放提供两倍电源电压，使运放的输出电压高于电源电压，使功率管工作在深线性区，提高电路工作效率。运放和反馈环路控制功率管的栅极电压，使输出电压稳定。电流检测电路使已设定的电流值和负载电流进行比较产生高电平或低电平控制镜像电路的电流大小。此设计 通过 已设定电流值和负载电流的比较 检测负载电流 从而 动态的控制镜像晶体管， 本电路的负载与反馈环路断开，反馈环路在镜像功率管支路，电路稳定性不随负载的变化而变化，在不改变稳定性 的情况下，提高电路的负载调节率。 本文提出的设计在不断的增加电流检测电路可以无限提高负载调节率。 本文中设计的电路采用 TSMC 的 0.18µm 的 CMOS 工艺，低压差线性稳压器实现 1.2V 的输入， 1.1V 的输出，整个芯片面积为 0.038mm 2 。测试结果表明：负载调节率为 0.5mV/mA ，比未使用动态镜像晶体管提高了五倍，线性调整率为5mV/V ；在任何条件下都可以达到绝对稳定，并且有好的瞬态响应。针对本设计中的低压差线性稳压器，本文提出一种低功耗的CMOS 参考源电路。本设计中的低功耗 C MOS 参考电压源由两个不同阈值 电压的 N MOS 管、运放、电流镜、补偿电路、启动电路及调节电路组成。两个不同阈值电压的 N MOS 管用于产生温度系数；运放一方面为电流镜提供栅极电压，另一方面使两个不同阈值电压的 N MOS 管的漏极电压相同；电流镜使流经两个不同阈值电压的 N MOS 管电流相同；补偿电路采用有源补偿电路，拉开两个极点，同时不需要特别大的补偿电容；启动电路为电路的 0 时刻提供工作点，使其能正常工作；调节电路是为了防止工艺偏差，使电路在任何工艺角下都可以调整到温度系数最好的状态。该低功耗参考源电路利用两个不同阈值电压的 NMOS 并联，使流经两个 N MOS管的电流相同，产生一个两个阈值电压差的参数，为负温度系数，产生一个热温度电压的参数，为正温度系数，两个参数相加，调整两个 N MOS 管大小，使其最终产生一个不随温度变化而变化的参考源电压，此电路实现了低功耗，高电源抑制比，温度系数好，线性调节率高等参考源电压电路应具备的一系列优点，解决了已有电路温度范围窄，线性调节率差等问题。 CMOS 参考源电路采用 TSMC的 0.18µm 的 CMOS 工艺，整个芯片面积为 0.034 mm 2 。此电路在测试 1 8 片芯片之后，测试结果表明：此电路可工作在 40 140 o C ，电源电压 在 0.4 2.0V 下都可正常工作。测试的平均温度系数为 31 ppm/ o C ，最好为 8 ppm/ o C ，最差为 5 3 ppm/ oC ，线性调节率为 156 ppm/V ，电源抑制比为 56dB ，功耗为 3.12nW 。本论文首先分析了电源管理芯片的价值，对比了低压差线性稳压器与其他电源管理芯片的优缺点，归纳总结了已有的对低压差线性稳压器的研究，针对低压差线性稳压器近几年的研究热点，已存在的问题，提出本文的电路。论文第二部分介绍了传统低压差线性稳压器的系统结构，并介绍了低压差线性稳压器的原理，及主要性能参数，还详细介绍 了参考源电压电路的系统结构、主要原理及主要性能参数。论文第三部分介绍了本论文中提出的参考源电压电路，根据参考源电压电路的组成模块详细介绍了各个模块的基本原理，电路结构，在电路中的存在价值。此参考源电压电路针对已有电路中存在的问题，改善CMOS 参考源电路温度范围窄的缺点，此电路实现了低功耗，高电源抑制比，温度系数好，线性调节率高等优点。论文第四部分介绍了低压差线性稳压器，详细介绍了低压差线性稳压器的系统结构，主要原理，及其组成模块，详细介绍了各个组成模块的基本原理，电路结构，及其在电路中的主要作用。本电路实现 了高负载调节率的性能。论文第五部分介绍了画 P CB 和画版图中应注意的问题，比如匹配，加调节管等。这些问题都会在后期引入不必要的寄生电阻和电容从而影响电路性能。此部分还展示了本设计中的版图及 P CB 图，在设计版图和 P CB 时都会尽可能的降低寄生电阻及寄生电容的影响。论文第六部分展示两个电路的仿真结果和测试结果。参考电压源电路的仿真结果主要展示了电路的稳定性、电源抑制比、稳定性及蒙特卡洛仿真；测试结果展示了芯片图片，测试的 1 8 片芯片的温度系数，输出电压分布及温度系数的分布图，电流随温度变化图，电源抑制比，线性调整率。 低压差线性调节率的仿真结果主要展示了电路的稳定性，电荷泵电路的输出及电流检测电路的控制信号；测试结果展示了芯片照片、负载调节率及瞬态响应。最后还列出两个电路与其他电路的性能比较。论文第七部分总结电路的性能，展示电路的不足及未来需要改进的地方。本设计利用Cadence 公司的 virtuoso 仿真软件，采用 T SMC 的 0 .18 µm CMOS的工艺库模型，在室温下对所设计的低压差线性稳压器进行了整体仿真，在各个温度下及各个工艺角下对所涉及的参考源电压电路进行了整体仿真，仿真结果经过验证符合预测，设计使用 TSMC 的 0 .18µm 的 CMOS 工艺流片，利用 Altuim Designer 设计 PCB ，芯片通过测试验证电路的可靠性。

NMOS LDO sub threshold CMOS voltage reference power management circuit transient response current sensor

NMOS LDO 亚阈值参考电压源 电源管理电路 瞬态响应 电流检测电路

英语

联合培养

南方科技大学

Wang GH. PRECISION-IMPROVED ALL-CONDITION-STABLE NMOS LDO REGULATOR WITH DYNAMIC REPLICA[D]. 深圳. 哈尔滨工业大学,2018.