【摘 要】
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随着芯片集成度的提高和片上系统（SOC）的发展,电源噪声和不同模块之间的干扰变得非常严重,需要干净的电源电压来为这些模块供电。低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）因为其较低的电路噪声以及较高的电源抑制比,成为了为这些模块供电的主要选择。本文针对双同步低压降型DC-DC控制芯片的研发需求,选用SMIC 0.13μm CMOS工艺设计一款高电源抑制比的无片外电容LDO
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随着芯片集成度的提高和片上系统（SOC）的发展,电源噪声和不同模块之间的干扰变得非常严重,需要干净的电源电压来为这些模块供电。低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）因为其较低的电路噪声以及较高的电源抑制比,成为了为这些模块供电的主要选择。本文针对双同步低压降型DC-DC控制芯片的研发需求,选用SMIC 0.13μm CMOS工艺设计一款高电源抑制比的无片外电容LDO,为DC-DC控制芯片中的转换器逻辑控制电路提供电源电压。本文分析了带隙基准电路的电路结构,并设计了电流求和型带隙基准,优化了电路的温度系数和电源抑制比。对于误差放大器,采用第二级为同相增益的两级运放,加入功率管后系统变为了三级结构,这提高了电路环路增益降低了整个系统的稳定性,对LDO的环路稳定性进行理论分析且对比了多种频率补偿方法的优劣,采用Q值衰减法对LDO环路进行频率补偿,补偿后的LDO在重载轻载条件下都能够保持环路稳定。对于LDO的高电源抑制比设计,采用直观分析法分析了LDO中电源抑制比的影响因素,在带隙基准电路设计中,把电源噪声引入到基准电路的反馈环路中,通过PMOS电流镜的栅端电压跟随来提高电路的电源抑制比;在功率管设计中,增加前馈通路进一步抑制功率管栅源电压波动引入的噪声来提升电路的电源抑制比。为了保证LDO电路整体的安全性与可靠性,还设计了过温保护电路和过流保护电路,使得电路在非理想因素下工作时能够关断。本文最后完成了LDO电路的版图设计,对LDO电路各个模块的版图设计进行详细的分析,给出了整个电路的版图布局和版图实现,LDO的整体版图面积为409μm*398μm,并对芯片进行了测试。测试结果表明,本文设计的LDO在1.4 V～3.3 V的输入电压下,输出电压变化只有0.2 m V,其线性调整率为0.0105%/V;负载电流从200μA变化到100 m A时,输出电压变化了29μV,其负载调整率为0.29 m V/A;低频时LDO的PSR为88.5 d B,在100 k Hz频率时其PSR为33.0 d B;LDO在瞬态响应时的过冲电压为30 m V,响应时间为10μs,满足项目指标要求。
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