Ivanov Any-Load Stable LDO Design 深度解析
Ivanov “Design Methodology and Circuit Techniques for Any-Load Stable LDOs with Instant Load Regulation and Low Noise” (Analog Circuit Design, Springer, 2009) 将结构设计方法论(structural design methodology)系统应用于 LDO 设计,创造了一类 any-load stable、instant transient response(4-5 ns)、low noise 的新型 LDO。论文覆盖 3 款芯片实例(memory retention / radio / digital),FOM 值达 0.003,10 倍优于已发表最佳。
论文基本信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 作者 | Vadim Ivanov(Texas Instruments) |
| 出版 | Analog Circuit Design(M. Steyaert 等编),Springer Science+Business Media, 2009 |
| 页数 | 20 页(§1-8) |
| 工艺 | TSMC 0.18 μm(memory retention LDO)、TI 65 nm CMOS(radio/digital LDO) |
| 核心贡献 | 结构设计方法论应用于 LDO;multiloop any-load stable 架构 |
论文定位
vs 同类 LDO 文献
| 维度 | Rincon-Mora (1996) | Hazucha (2005) | Martin §7.4 | Ivanov (2009) |
|---|---|---|---|---|
| 方法论 | 系统化频率/瞬态分析 | 双环路 FOM 优化 | 教科书概述 | 结构设计方法论 |
| 稳定性 | 条件稳定(依赖 /ESR) | 改进瞬态但仍有负载依赖 | 传统补偿 | 无条件稳定(any load) |
| 瞬态响应 | μs 级 | ~100 ns | μs 级 | 4-5 ns |
| ≤65 μA | — | — | 80 μA(digital)/ 1 mA(radio)/ 300 nA(memory) | |
| 50 mA | — | — | 30-50 mA | |
| FOM | — | 基准 | — | 0.003(10x 优于最佳已发表) |
| 外部 | 需要 | 需要 | 需要 | 不需要(on-chip only 即可) |
| 双向输出 | 否 | 否 | 否 | 是(sink + source) |
结构化摘要
§1 Introduction — SoC LDO 挑战
90 nm 以下 CMOS 工艺中,SoC 芯片包含 15-20 个 LDO 为各电源域供电。传统 LDO(Fig.1)两大问题:
- 条件稳定:任何补偿方案下都存在不稳定的负载电流/电容组合
- 慢响应: 时,反应时间在 μs 级
提出 FOM 定义:
Ivanov 方案:仅使用 on-chip 负载电容(100 pF ~ nF),实现 any-load stable + instant transient。
§2 结构设计方法论基础
四步设计流程:
- 图形化表达(§2.1):信号流图(signal flow graph)替代结构框图
- 专用反馈控制(§2.2):每个重要参数配独立反馈环路;单极点环路 → 无条件稳定
- 单元库(§2.3):standard cells + current-input amplifiers(Fig.4a/b,速度提升 5x)
- 好电路特征(§2.4):专用环路 + 稳定 + 鲁棒 + 非线性保护 + 衬底噪声免疫
§3 Memory Retention LDO — 300 nA
应用:SoC 关断状态下保持 SRAM 数据(leakage = nA ~ μA)
架构演进(Fig.5a→5c):
- 单晶体管电压跟随器(无条件稳定,)
- → 嵌套第二环路控制 (提升最大负载电流)
- → M4/M5/M6 + 实现(100 nA , μA)
关键特性:双环路均为单极点(单级放大器),任何负载电容/偏置下无条件稳定。TSMC 0.18 μm 实现, nA,误差 ~100 mV。
§4 Basic Multiloop LDO — Any-Load Stable
架构推导(Fig.6→7):
| 步骤 | 功能 | 稳定性保障 |
|---|---|---|
| M0-M4 跟随器 | 提升环路增益 | 限制一级增益 (Reay-Kovacs) |
| M4-M5 嵌套环路 | 提升 输出阻抗 | 限制 + M4 共栅(需 ) |
| M6-M7 上拉链路 | pull-up 能力 | 用电阻实现(降低极点阻抗) |
最终结构(Fig.7):可 sink/source 电流,any-load stable,exceptional bandwidth。
§5 Low-Noise LDO for Radio — 噪声曲线塑形
三频段噪声机制:
| 频段 | 主导器件 | 噪声类型 | 控制手段 |
|---|---|---|---|
| M0-M3 放大器 | flicker noise | 大尺寸输入对 | |
| M4 + | 源阻抗 | 大 (900 μA),M4 弱反型 | |
| 滤波 | — | 容量 |
TI 65 nm 芯片规格: mA, mA, pF,PSRR@400 kHz = 25 dB,PSRR@20 MHz = 21 dB,面积 15,000 μm²。
§6 LDO for Digital Units — 5 ns 反应时间
问题:Fig.7 电路在 小时,load step high→low 快速(3-5 ns),但 low→high 延迟大。
Step Response Boosting(Fig.10):新增 M8-M10/M11-M9-M5 环路
- 稳态:
- 负载突增: 下降 → M8 关断 → 驱动 M9 → 激增 → 快速充电 M7 栅极
Class AB 改进(Fig.12):M12-R4-R5 变增益替代固定 R3
- 小信号低增益(稳定),大信号高增益(快速)
- 仅 5-10 μA,总功耗 40-50 μA,反应时间仍 4-5 ns
TI 65 nm 芯片规格: μA, mA, pF,PSRR@1 MHz = 25 dB,FOM = 0.003(10x 优于 Hazucha 最佳 0.032)。
§7 Stability Verification with CAD
Phase margin 的局限:
- 仅适用于小信号 / 最小相位系统 / 单环路
- 多环路系统无法确定 break point
Dumping factor 替代方案:
- ,从瞬态仿真提取
- 适用于小/大信号、非最小相位、多环路系统
- 无需 break loop
- 数值对应:,,
自动化验证:Fourier 变换提取 step response 的 tone 频率 → 计算各 tone 的 → TI ACS 工具批量执行。
§8 Conclusions
结构设计方法论可推广到所有模拟领域,特别在电源管理和仪器 IC 设计中高效。Ivanov 认为不应再设计传统结构 LDO。
芯片实例汇总
| LDO 类型 | 工艺 | 反应时间 | PSRR | FOM | 面积 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Memory Retention | TSMC 0.18 μm | <300 nA | 10 μA | 200 pF ~ μF | 慢(不需要快) | — | — | — |
| Radio Low-Noise | TI 65 nm | 1 mA | 30 mA | >100 pF | 3-5 ns | 25 dB@400 kHz | — | 15k μm² |
| Digital SRAM | TI 65 nm | 80 μA | 50 mA | >200 pF | 4-5 ns | 25 dB@1 MHz | 0.003 | 14k μm² |
跨来源对比总表
| 维度 | Rincon-Mora | Kok/Tam | Ivanov | Martin §7.4 | Sansen §16 |
|---|---|---|---|---|---|
| 核心方法论 | 频率/瞬态系统化 | β-multiplier 误差分析 | 结构设计方法论 | 教科书概述 | 带隙/LDO |
| LDO 架构 | 传统单环路 + 四种拓扑 | — | Multiloop nested | 传统 | 简单覆盖 |
| 稳定性策略 | 极点分裂/miller | — | 单极点环路 | 极点分裂 | — |
| 瞬态优化 | slew-rate 提升 | — | step response boosting | — | — |
| 噪声设计 | PSRR 分析 | — | 噪声曲线塑形 | — | — |
| 低压 BGR | 曲率校正 | 高阶补偿 | — | — | <1V 带隙 |
| 硅验证 | 2 μm CMOS | — | 65 nm / 0.18 μm CMOS | — | — |
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