1. 研究目的与意义
集成稳压器正向着高功率密度、高可靠性、高效率三个方向迈进,低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)作为其中的一员,被越来越广泛地应用到便携式电子产品中,并向着片上系统(System on Chip, SoC)集成的方向发展。由于应用简单、便于集成的优点,无电容型LDO成为各类应用的首选。与传统的LDO相比,无电容型LDO在稳定性和瞬态特性上存在着较大缺陷,其稳定性和瞬态特性是其设计中的最大挑战。近来, 业界对于LDO瞬态性能、 功耗、输出电流和稳定性方面有大量的研究。 本文从LDO的结构着手,在瞬态性能和功耗方面做了努力,同时保证了其稳定性。为实现一种瞬态响应增强型，自稳定的片上LDO而带的一种DFC频率补偿的 LDO 电路通路，通过增大开环环路增益来提高反馈环路的相应速率；运用推挽结构提高运放的压摆率，在实现瞬态响应补偿的同时，很好的实现了频率补偿。电路采用0.35umCMOS工艺设计，输入电压为3.3V，输出电压为1.8V，输出电容为0，可输出最大0.5A的电流，仿真结果显示多提出的片上电容LDO较高的稳定性，较好的瞬态响应和较低的功耗，仿真电路表明该电路达到了预期的设计指标。
2. 课题关键问题和重难点
本文设计的 LDO 电路中有三个设计重点及难点：（1） 调节 DFC 中各个 MOS 管的参数及级间米勒电容的容值，使得整个开环反馈环路稳定；（2） 调节两级运放中 MOS 管参数，特别是第二级运放中 MOS 管参数，提高运放的压摆率，增强环路的瞬态性能；
（3）调节 P 调整管 M32 的宽长比，在满足负载瞬态变化的同时，确保整个电路版图面积最小。
这三个问题相互影响，相互交织，需要统一考虑，折衷处理。下面针对这三个问题进行着重讨论。
3. 国内外研究现状（文献综述）
1从杨汝辉写的《应用于SoC的无电容LDO的设计与实现》硕士论文中可以看出：论文首先阐述了LDO的基本指标,主要推导线性调整率,负载调整率和电源抑制比公式,并指出他们之间的折衷关系。着重分析了传统LDO的瞬态响应过程和所有影响瞬态响应特性的因素,并与无电容型LDO瞬态响应过程进行了对比。在该分析上提出一种基于电压尖峰探测的瞬态增强电路(Slew Rate Enhancement,SRE),主要由采样电容、改进型电流镜和电流比较器构成,该结构只在输出电压变化时才消耗静态功耗,但能有效的提高了调整管栅极电容充放电的速率,改善LDO的瞬态响应特性。利用电压尖峰探测的All-in-one线性稳压器存在诸多缺点,本论文在该结构上改进,获得鲁棒性更高,低功耗的LDO。最后基于上述研究,在0.13μm CMOS工艺下,设计一款无电容型瞬态响应增强LDO,应用于手机SoC芯片中。并给出了设计过程和芯片规格定义,晶体管级原理图,子电路仿真图。仿真结果表明:在无任何外接电容、静态电流为15μA、最小输入输出压差为300mV的条件下,负载在1微秒内从空载跳变为满载100mA时,输出下冲电压为160mV,与无瞬态响应增强电路LDO相比,减少了150mV。最终完成流片、封装、测试,并验证了仿真结果。
2从薛欢欢写的《无电容型LDO的稳定性与频率补偿方法》硕士论文中可以看出：论文研究了适合于SoC应用的无电容型LDO的稳定性及其频率补偿方法。通过对采用片外电容补偿的传统LDO和无任何补偿的LDO基本电路结构的零极点分布和稳定性分析,提出了无电容型LDO的基本补偿方法,重点对DFC(Damping Factor Control,阻尼系数控制)频率补偿方法进行了深入分析和电路改进。在对PMOS功率管、取样反馈电阻、带隙基准源、误差放大器及DFC频率补偿电路、偏置电路、过温保护电路和过流保护电路等电路模块设计分析的基础上,基于CSMC 0.5μm CMOS工艺完成了一款无电容型LDO的整体电路设计。采用Cadence Spectre对设计的电路进行了仿真,该电路工作电压2.7V～6V,输出电压2.5V,可在0～500mA的负载电流范围内稳定工作,电路正常工作时的最小压差在196mV以下。仿真结果表明,本文设计的电路较好地解决了无电容型LDO的稳定性问题,且在负载电流降至零时仍能保持稳定,拓宽了无电容型LDO的应用需求范围。
3从郭江飞写的《高稳定性无片外电容LDO设计与仿真》硕士论文中可以看出：论文对传统LDO和无片外电容LDO的稳定性进行分析。针对芯片面积小的要求，采用一阶RC补偿和极点分裂法满足系统稳定性要求；电阻采用工作在线性区的MOS管代替，降低芯片面积。仿真结果表明，相位裕度最差为64.5，最好为83，保证系统在整个工作范围的稳定性。系统对电源噪声抑制能力较好，在低频和1KHz时，系统电源抑制比最差分别为58.82dB和56dB。对电路加入前馈通路，提高系统的瞬态响应特性。在1μs内，电压由3V变为4V，向上输出过冲最大为116mV，向下过冲最大310mV，负载电流从0变化到50mA，向上、向下过冲均小于300mV。系统宽电压输入范围：2.6V-5.5V，温度范围：-40℃-150℃，可提供50mA最大负载电流。在最差情况下，压差仅为96mV。在电源电压为3V时，静态电流最大约57μA。为提高整体电路的可靠性，加入过温保护电路。当温度升高到140℃时，过温保护电路启动，具有20℃的典型迟滞范围。整个系统采用0.6μm标准CMOS工艺设计，并利用Cadence软件的Spectre仿真器进行仿真工作。仿真结果满足设计要求。
4. 研究方案
因为电路为一个三级运放，具有不稳定性，因此我们采用DFC频率补偿以及弥勒补偿来使得使得整个开环反馈环路稳定。此外，因为误差放大器的第二级为推挽输出结构，要使主次极点落在两倍的GBW外面，就要增大K值，因此我们增大k值，可以显著增大运放的压摆率，从而显著改善PMOS调整管的瞬态调节能力，降低在负载瞬态变化过程中系统的上冲下冲值，从而增加了电路的瞬态性能。
5. 工作计划
2022.3.2-2022.3.13 (第一周～第二周) 论文翻译及开题，并在本阶段结束前提交一份翻译和开题报告。
2022.3.16-2022.3.27 (第三周～第四周) 查阅文献资料，学习LDO的工作原理，并在本阶段结束前提交一份学习报告，对原理进行总结。
2022.3.30-2022.4.10 (第五周～第六周) 学习Cadence仿真软件，并在本阶段结束前提交一份学习报告。
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