亚纳秒全集成低压差线性稳压器关键技术研究

Deep integrated System-on-Chip (SoC) plays very important role in the portable electronics such as wearable electronics. As a sequence, power management of the SoC should be further optimized and the integration density of which should be further increased. Low dropout linear voltage regulator (LDO) has been used widely in analog and high-speed digital circuits as its merits of low noise, fast response, and simple application circuits. Currently, LDO can be fully integrated without any external components. To handle the fast load change in RF communication and digital signal processing, the fully-integrated LDO needs fast response capability, i.e., large bandwidth. In the other hand, these LDOs need have high loop gain too achieve good accuracy (high dc regulations) and high power-supply rejection. Unfortunately, there is a tradeoff between high gain, high bandwidth and stability of an LDO. As a result, nearly all fully integrated LDOs have loop bandwidth less than 10 MHz, leading to low transient response.in that case, it is very important to research and design a high gain high bandwidth fully integrated LDO with high current efficiency for SoC applications. In this project, the innovate frequency compensation, transient and PSR enhancement techniques will be investigated, and the goal is to design a fully integrated LDO with bandwidth of more than 100 MHz and response time close to 100 ps.

移动便携式设备需要深度集成的SoC方案，其电源管理电路的集成度也需进一步提升。低压差线性稳压器（LDO）因为输出电压噪声小、响应速度快、应用电路简单，在模拟电路及高速数字电路中应用广泛。当前LDO已可以实现片上全集成，特别适合于作为SoC中各功能电路的本地电源，实现定制化管理，提升电路性能。为应对射频通信及数字处理电路中负载电流的快速变化，LDO需要具备快速的响应能力，即需要大的环路带宽。另一方面，为获得好的输出电压精度及纹波抑制能力，LDO还要有高的直流增益。而这些与LDO稳定性互相制约。目前报导的全集成LDO环路带宽几乎都在10MHz以下，难以实现快速响应。为此，对宽带宽、高电流效率的全集成LDO稳压器关键技术，特别是瞬态响应及纹波抑制提升等进行系统研究，十分有利于SoC的深度集成及性能提升。项目目标是研究具有100MHz带宽，100ps级别响应时间的全集成LDO的关键技术

本项目针对SoC中电源管理电路的集成度需进一步提升的应用背景，以全集成LDO的频率补偿技术、瞬态响应提升技术以及高频PSR提升技术为主要研究内容。除此以外，还针对低功耗物联网应用，对源端能量供给侧的（压电/太阳能）能量收集芯片开展了研究工作。此外，针对LDO的负载电路开展了相关研究工作，以使全集成LDO可以更好为负载电路（模拟前端/跨阻放大器等）提供高性能的本地电源供给。.项目首先研究了高增益、大带宽多级放大器电路，对多级放大器频率补偿技术进行总结与建模分析，提出一种采用双路有源反馈频率补偿方案的全集成LDO，实现全负载下的稳定性及快速瞬态响应，并通过使用动态偏置和交叉求和的误差电流来进一步增强瞬态响应。除此以外，提出了双交叉耦合电流镜技术、自反馈型翻转电压跟随器（FVF）电路、自适应偏置和双交叉求和跨导单元、自适应型超级源跟随器等新型电路设计技术以在低功耗前提下不断提升LDO的瞬态性能。.本项目也开展了对LDO的电源纹波抑制（PSR）的研究与优化设计，采用双环路结构，实现高直流增益和宽环路带宽，最高带宽超过了既有研究目标100 MHz，从而实现高频PSR的提升。另一方面，研究了低功耗高PSR的CMOS基准电压源电路，以使整个LDO稳压器具有更优的PSR性能。.采用180nm、65nm及22nm CMOS工艺，受该项目支持，已完成（1）5款快速瞬态全集成LDO芯片；（2）3款超低功耗LDO芯片；（3）2款超低功耗基准芯片；（4）3款模拟前端芯片；（5）2款压电能量收集芯片的流片与测试.相关成果已发表SCI期刊论文12篇，EI检索国际会议论文8篇，所有论文均已标注受到本项目资助。除发表论文外，申请与项目相关的中国发明专利7项，其中3项已授权。另外还有2篇SCI期刊论文在投稿及审稿中，3个芯片成果在论文撰写中。.本项目的实施，可以为全集成LDO提供多元化的瞬态响应增强技术手段，以使全集成LDO能够具有更快的响应时间、更低的过冲电压，从而解决或优化在实际应用中全集成LDO因为电压过冲大无法商用的工程实践问题。