고주파 대역에서 높은 PSRR을 갖는 LDO 레귤레이터 설계에 관한 연구 :A study on Low-DropOut(LDO) regulator with high PSRR in high frequency band

김성호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성호 (청주대학교, 淸州大學校)

지도교수: 孫尙熙

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

아날로그 IC에 응용 가능한 높은 PSRR과 높은 구동전류를 갖는 LDO 레귤레이터 설계에 관한 연구

김성호 , 손상희 한국정보기술학회논문지 2019.05 학술저널

고주파 대역에서 높은 PSRR을 갖는 LDO 레귤레이터 설계에 관한 연구

김성호 半導體工學科 2019.01 학위논문

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소형기기의 전원에 사용되는 PMIC에서 미세 전압을 정밀하게 제어하기 위해서는 LDO의 성능이 절대적이다. 최근 LDO의 연구 동향은 전원부 소형화에 따른 크기 감소 추구와 더불어 저비용을 추구하기 위해 부하 커패시터를 사용하지 않는 capless LDO 구조가 중심이 되고 있다. 그러나 외부 커패시터 부재에 따른 안정성 저하 및 레귤레이션 특성 저하를 극복하는 것이 중요한 이슈로 등장하고 있으며, 동시에 빠른 과도특성 및 낮은 대기전력 특성 등도 중요 고려사항으로 대두되고 있다.
이러한 사항을 고려하여 본 논문에서는 외부 커패시터가 없는 LDO 회로에 밀러 커패시터를 사용하여 페이스 마진을 확보할 수 있는 구조를 제시하였다. 또한, 회로의 동작 속도를 빠르게 하기 위해 밀러 커패시터와 병렬로 별도의 전압 증폭기를 연결한 구조를 제시하였다. 특히, LDO에서 레귤레이션 특성을 향상시키기 위해 폴디드 캐스코드 방식을 사용한 오차증폭기를 사용하여 전압이득을 증가시켰다. 오차증폭기에 폴디드 캐스코드 구조를 사용하여 전압 스윙의 범위를 넓힐 수 있어서 광범위한 공급 전압원으로 동작시킬 수 있었다. 또한, 높은 주파수 대역에서 PSRR 성능을 향상시켜 일정한 전압을 얻을 수 있도록 밴드갭 레퍼런스 회로의 출력과 오차증폭기 입력사이에 필터를 추가하여 리플 전압의 유입을 막았다. 또한 고주파영역에서 패스 트랜지스터의 기판전압에 높은 전압을 인가시키는 방법을 사용한 바디 효과를 사용하여 고주파영역에서 PSRR 특성을 향상시켜 전체적으로 정밀한 입력이 필요한 아날로그 회로 및 소형 기기에서 사용할 수 있는 LDO 구조를 제안하고 설계하였다. 본 논문에서 제안한 회로는 TSMC 0.18um 1-poly 6-metal CMOS 공정 파라메타를 사용하여 모의실험을 수행하였다.

In this paper, a low-dropout (LDO) regulator circuit is designed to increase the power supply rejection ratio (PSRR) in high frequency band.
Recently, the power management integrated circuits part of small devices such as analog devices and portable devices have been continuously decreasing in size and weight due to technological advancement. As a result, it is naturally necessary for the PMIC to create a precise power supply to control the stable and finer voltage required by each circuit. Most of the role of the PMIC to stabilize and fine-tune power is in charge of the LDO, a high-performance LDO design is required. The LDO is primarily a capless LDO that does not use the external capacitors required for the load in order to reduce the size according to the miniaturization of the power supply part and to improve the cost. In addition, to get the fast transient response for good performance, high maximum output current and low standby power are required.
In this paper, phase margins are secured by using a miller capacitor for LDO circuits without external capacitors. In addition, the feedback circuit was constructed with an additional voltage amplifier to speed up the operation speed of the circuit.
In the error amplifier, the voltage gain is increased by using the folded cascode method to improve the regulation characteristic. The folded cascode structure of this error amplifier was able to operate with a variety of supply voltage sources because of the additional range of voltage swing. To improve the PSRR performance in a high frequency band, a filter is added between the output of the bandgap reference circuit and the error amp to prevent ripple. Pass TR improves the PSRR one more time at high frequencies through the body effect of MOS using the method of applying higher voltage only to high frequency only to the terminal substrate, so it is possible to use LDO which is fully usable in analog circuits and small devices that require precise input as a whole Respectively.
The designed Low-Dropout(LDO) Regulator with High PSRR in High Frequency Band was simulated with Cadence Spectre by using TSMC 0.18um 1-poly 6-metal CMOS process parameter.

1. 서론 1
1.1 연구 필요성 1
2. 배경 지식 3
2.1 PMIC (Power management IC) 3
2.2 LDO 레귤레이터 4
2.2.1 동작원리 5
2.2.2 주요 파라메타 6
2.3 오차증폭기 14
2.3.1 폴디드 캐스코드 증폭기 15
2.4 밴드갭 레퍼런스 16
3. PSRR을 향상시킨 새로운 LDO 회로제안 18
3.1 제시한 회로 구조 18
3.2 제시한 회로 동작 원리 19
3.2.1 밴드갭 레퍼런스 회로 동작원리 20
3.2.2 바이어스 회로 동작 원리 22
3.2.3 폴디드 캐스코드 오차증폭기 회로 동작 원리 24
3.2.4 바디 증폭기 25
3.2.5 주파수 필터 26
4. 제안한 회로의 모의실험 및 결과 분석 27
4.1 기존 회로 실험 28
4.2 제안한 회로 실험 30
4.3 성능 요약 및 비교 33
5. 결론 35
참고문헌 37
Abstract 40

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