넓은 대역폭과 높은 전원잡음제거 특성을 갖는 역구조 전압팔로워(FVF) 기반의 커패시터 없는 LDO 레귤레이터
저자
발행사항
서울 : 국민대학교 일반대학원, 2021
학위논문사항
학위논문(석사)-- 국민대학교 일반대학원: 전자공학과 전자공학전공 2022. 2
발행연도
2021
작성언어
한국어
DDC
621.3 판사항(23)
발행국(도시)
서울
기타서명
Wide Bandwidth and High PSR Capacitorless LDO Regulator Based on Flipped-Voltage Follower(FVF)
형태사항
ix, 74 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수 : 김대정, 모현선
참고문헌 : p. 70-72
UCI식별코드
I804:11014-200000600028
소장기관
본 논문에서는 SoC(System on Chip) 응용에 적합하며 ADC(Analog-to-digital converter), VCO(Voltage controlled oscillator)와 같은 공급 전압에 민감한 아날로그 회로에 사용될 수 있도록 넓은 대역폭과 높은 전원잡음제거 특성을 갖는 외부 커패시터 없는 LDO레귤레이터를 제안하였다.
제안하는 LDO 레귤레이터는 외부 커패시터 없는 조건에서 안정적인 역구조 전압팔로워(FVF) 구조를 기반으로 설계 하였으며, 높은 전원잡음제거 특성 구현이 가능한 루프 이득이 개선된 역구조 전압팔로워(CAFVF) 기반 LDO 레귤레이터를 사용하였다. 버퍼를 사용하여 광대역을 구현하고 발생하는 비 주극점을 고역통과필터를 사용하여 제거함으로써 고주파에서 높은 전원잡음제거 특성을 개선 하였다. 하지만, 고역통과필터가 기생 커패시턴스에 의해 역할이 제한되는 문제를 개선하기위해 보상 커패시터를 연결하여 고주파에서 추가적인 피드백 경로를 제공하였으며, 발생하는 안정성 문제와 고주파에서 전원잡음제거 특성이 제한되는 문제를 해결하였다. 또한, 제안하는 LDO레귤레이터의 전원잡음제거 특성이 제어 전압 생성 회로에 의해 제한되지 않도록 고주파에서 높은 전원잡음제거 특성을 갖도록 설계하였다. 보상 커패시터를 연결함으로써 밀러 효과에 의해 안정성 문제를 해결하였고, 추가적으로 캐스코드 소자를 사용하여 고주파에서 보상 커패시터에 의해 고주파 리플이 출력에 직접적으로 전달되는 경로를 차단함으로써 고주파에서 전원잡음제거 특성을 개선하였다.
결론적으로, 제안하는 LDO레귤레이터는 적은 대기 전류를 소모하여 고주파에서 높은 전원잡음제거 특성을 개선하고 해결하였다. 따라서, 추가적인 대기 전류의 사용에 따라 요구되는DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수에 맞게 대역폭과 루프 이득을 조정하여 설계 할 수 있는 가능성도 함께 제시 하였다.
제안하는 LDO 레귤레이터는 DB하이텍 BCDMOS 0.18μm 공정을 사용하여 설계하였으며 대기 전류 10.8μA를 사용하는 조건에서1kHz에서 -83dB, 10kHz에서 -63dB, 100kHz에서 -43dB, 1MHz에서 -22dB 의 전원잡음제거 특성의 시뮬레이션 결과를 통해 이론을 증명하였다.
In this paper, the proposed LDO regulator removes the off-chip capacitor by using FVF(Flipped-Voltage Follower) structure for SoC(System on Chip) application. Also, the proposed capacitorless LDO regulator has wide bandwidth and high PSR characteristic so that it can be used in analog circuits sensitive to supply voltage such as ADC(Analog-to-digital converter) and VCO(Voltage controlled oscillator).
The proposed LDO regulator is designed based on a stable flipped voltage follower(FVF) structure in the condition of capacitorless. A cascoded FVF(CAFVF) LDO regulator was used to have high PSR characteristics and a buffer was used to have wide bandwidth. By using the high pass filter, the non-dominant pole formed by the large parasitic capacitance of the power MOSFET is cancelled and high PSR characteristics are obtained at high frequency. But, in order to improve the problem that the high pass filter is limited in its role by parasitic capacitance, and additional feedback path is provided at high frequency by connecting a compensation capacitor. Additionally, the proposed control voltage generation circuit is designed to have high PSR characteristic at high frequency so that the PSR characteristic of the LDO regulator is not limited. By connecting the compensation capacitor, the stability problem was solved by the miller effect, and the cascode device was used to block the path that the high frequency ripple is directly transmitted to the output by the compensation capacitor at high frequency.
In conclusion, the proposed LDO regulator has improved high PSR characteristic at high frequency by consuming less quiescent current. Therefore, the bandwidth and dc loop gain can be flexibly adjusted according to the amount of quiescent current, so that it can be designed to have high PSR characteristic at the target frequency of dc-dc converter.
The proposed LDO regulator was designed using DBhitek BCDMOS 0.18 μm process, and the theory was proved through PSR simulation results of -83 dB at 1 kHz, -63 dB at 10 kHz, -43 dB at 100 kHz, and -22 dB at 1MHz.
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