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随着CMOS工艺技术的发展,越来越多的功能模块集成在同一芯片系统(System on Chip, SoC)上,片上电源转换器是其中一个重要的电路。本文针对片上电源转换器的面积、待机功耗以及电源抑制(Power Supply Rejection, PSR)等特性,进行了片上高性能CMOS电源转换器的研究与设计,主要包括以下几个方面的内容:第一,利用MOS晶体管的背栅效应,给出了一种基于电流提升技术的单阈值电压加权的片上电源转换器。相对于没有电流提升技术的电源转换器,在最大输出电流均为100mA情况下,本设计输出调整管Mpass的宽长比W/L从4.28k减少到3.96k,从而减少了整个电源转换器的面积,且电源转换器的瞬态响应时间也缩短了5.26%。第二,采用HJTC 0.18μm工艺设计实现了两种不同阈值电压加权的片上低待机功耗电源转换器:中反型偏置电流源的电源转换器及弱反型偏置电流源的电源转换器。结果表明,中反型偏置电流源的电源转换器的待机功耗为38μW,输出电压的温度系数、线性调整率及负载调整率分别为0.772mV/oC、42mV/V及0.35mV/mA;弱反型偏置电流源的电源转换器的待机功耗为24.6μW,输出电压的温度系数、线性调整率及负载调整率分别为0.972mV/oC、21mV/V及0.284mV/mA。第三,利用前调整器以及PMOS沟道电阻技术,给出了一种用于片上低压差(Low Dropout, LDO)稳压器的高PSR亚1V无电阻带隙基准。并采用0.18μm与0.6μm工艺分别实现了所设计的无电阻带隙基准。实验结果表明,0.18μm工艺实现的带隙基准在100Hz、1kHz与10kHz处分别获得了-70dB、-62dB以及-43dB的电源抑制,而0.6μm工艺实现的带隙基准在100Hz、1kHz与10kHz处分别获得了-68.9dB、-61.2dB以及-44.6dB的电源抑制。测试结果显示不同工艺实现的带隙基准具有可比的性能特性。第四,提出了一种三级放大器的交流增强-有源反馈频率补偿(AC-Boosting and Active-Feedback Frequency Compensation, ACB-AFFC)技术,采用0.18μm CMOS工艺设计了一种ACB-AFFC三级放大器,仿真结果显示,放大器获得了100dB的高直流增益,7.5MHz的单位增益带宽,67°的相位裕度以及SR+/-=1.11/1.19V/μs的转换速率。在此基础上,采用动态馈通级(Dynamic Feedforward Stage, DFS),并用0.6μm CMOS工艺设计实现了一种带有动态馈通级的交流增强与有源反馈频率补偿(ACB-AFFC-DFS)的三级放大器,该电路结构更加简单,测试结果表明,ACB-AFFC-DFS三级放大器获得了SR+/-=2.4/4 V/μs的转换速率。在ACB-AFFC-DFS三级放大器及高PSR亚1V无电阻带隙基准的基础上,给出了一种与片外电容无关的CMOS LDO稳压器,并用0.6μm CMOS工艺设计实现了该LDO稳压器。测试结果表明,LDO稳压器获得了5.42mV/V的线性调整率及0.35mV/mA的负载调整率。在此基础上,用0.18μm CMOS工艺进行了一种包含过温保护与过电流保护的LDO稳压器系统设计,该系统输出电压的温度系数、线性调整率及负载调整率分别为7.6ppm/°C、0.015mV/V及0.003mV/mA,并在100Hz与100kHz处分别获得了-85dB与-30dB的电源抑制。最后,分析讨论了CMOS LDO稳压器的应用。在本文所设计的CMOS LDO稳压器的基础上,分析设计了一种光接收机前置放大器。其中前置放大器的跨阻放大器的工作电源电压由LDO稳压器提供。仿真结果说明,采用LDO稳压器,跨阻放大器的电源抑制从-7.43dB提高到-84.5dB。