片上高性能CMOS電源轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的功能模塊集成在同一芯片系統(tǒng)(System on Chip, SoC)上，片上電源轉(zhuǎn)換器是其中一個(gè)重要的電路。本文針對(duì)片上電源轉(zhuǎn)換器的面積、待機(jī)功耗以及電源抑制(Power Supply Rejection, PSR)等特性，進(jìn)行了片上高性能CMOS電源轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　第一，利用MOS晶體管的背柵效應(yīng)，給出了一種基于電流提升技術(shù)的單閾值電壓加權(quán)的片上電源轉(zhuǎn)換

2、器。相對(duì)于沒(méi)有電流提升技術(shù)的電源轉(zhuǎn)換器，在最大輸出電流均為100mA情況下，本設(shè)計(jì)輸出調(diào)整管Mpass的寬長(zhǎng)比W/L從4.28k減少到3.96k，從而減少了整個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的面積，且電源轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間也縮短了5.26％。
　　第二，采用HJTC0.18μm工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種不同閾值電壓加權(quán)的片上低待機(jī)功耗電源轉(zhuǎn)換器：中反型偏置電流源的電源轉(zhuǎn)換器及弱反型偏置電流源的電源轉(zhuǎn)換器。結(jié)果表明，中反型偏置電流源的電源轉(zhuǎn)換器的待機(jī)功耗為3

3、8μW，輸出電壓的溫度系數(shù)、線性調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率分別為0.772mV/oC、42mV/V及0.35mV/mA；弱反型偏置電流源的電源轉(zhuǎn)換器的待機(jī)功耗為24.6μW，輸出電壓的溫度系數(shù)、線性調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率分別為0.972mV/oC、21mV/V及0.284mV/mA。
　　第三，利用前調(diào)整器以及PMOS溝道電阻技術(shù)，給出了一種用于片上低壓差(Low Dropout, LDO)穩(wěn)壓器的高PSR亞1V無(wú)電阻帶隙基準(zhǔn)。并采用0.18

4、μm與0.6μm工藝分別實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的無(wú)電阻帶隙基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.18μm工藝實(shí)現(xiàn)的帶隙基準(zhǔn)在100Hz、1kHz與10kHz處分別獲得了-70dB、-62dB以及-43dB的電源抑制，而0.6μm工藝實(shí)現(xiàn)的帶隙基準(zhǔn)在100Hz、1kHz與10kHz處分別獲得了-68.9dB、-61.2dB以及-44.6dB的電源抑制。測(cè)試結(jié)果顯示不同工藝實(shí)現(xiàn)的帶隙基準(zhǔn)具有可比的性能特性。
　　第四，提出了一種三級(jí)放大器的交流增強(qiáng)-有源反饋

5、頻率補(bǔ)償(AC-Boosting and Active-Feedback Frequency Compensation, ACB-AFFC)技術(shù)，采用0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種ACB-AFFC三級(jí)放大器，仿真結(jié)果顯示，放大器獲得了100dB的高直流增益，7.5MHz的單位增益帶寬，67°的相位裕度以及SR+/-=1.11/1.19V/μs的轉(zhuǎn)換速率。在此基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)饋通級(jí)(Dynamic Feedforward Stage

6、, DFS)，并用0.6μm CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種帶有動(dòng)態(tài)饋通級(jí)的交流增強(qiáng)與有源反饋頻率補(bǔ)償(ACB-AFFC-DFS)的三級(jí)放大器，該電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果表明，ACB-AFFC-DFS三級(jí)放大器獲得了SR+/-=2.4/4 V/μs的轉(zhuǎn)換速率。
　　在ACB-AFFC-DFS三級(jí)放大器及高PSR亞1V無(wú)電阻帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，給出了一種與片外電容無(wú)關(guān)的CMOS LDO穩(wěn)壓器，并用0.6μm CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該LD

7、O穩(wěn)壓器。測(cè)試結(jié)果表明，LDO穩(wěn)壓器獲得了5.42mV/V的線性調(diào)整率及0.35mV/mA的負(fù)載調(diào)整率。在此基礎(chǔ)上，用0.18μm CMOS工藝進(jìn)行了一種包含過(guò)溫保護(hù)與過(guò)電流保護(hù)的LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)輸出電壓的溫度系數(shù)、線性調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率分別為7.6ppm/℃、0.015mV/V及0.003mV/mA，并在100Hz與100kHz處分別獲得了-85dB與-30dB的電源抑制。
　　最后，分析討論了CMOS LDO穩(wěn)壓器