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。

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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

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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 $C_L$/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
$I_q$	≤65 μA	—	—	80 μA（digital）/ 1 mA（radio）/ 300 nA（memory）
$I_{Lmax}$	50 mA	—	—	30-50 mA
FOM	—	基准	—	0.003（10x 优于最佳已发表）
外部 $C_L$	需要	需要	需要	不需要（on-chip only 即可）
双向输出	否	否	否	是（sink + source）

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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：

1. 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
2. 慢响应：$I_q<10\%\times I_{Lmax}$ 时，反应时间在 μs 级

提出 FOM 定义：

$$\text{FOM}=C_L\cdot \delta V_{out}\cdot I_q/I_{Lmax}^2$$

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：

1. 图形化表达（§2.1）：信号流图（signal flow graph）替代结构框图
2. 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
3. 单元库（§2.3）：standard cells + current-input amplifiers（Fig.4a/b，速度提升 5x）
4. 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 $I_q$

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，$Z_{out}=1/g_{m1}$）
• → 嵌套第二环路控制 $I_0$（提升最大负载电流）
• → M4/M5/M6 + $I_1$ 实现（100 nA $I_1$，$I_{Lmax}=10$ 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，$I_q<300$ 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 $A=g_{m0}{R}_{p4}$（Reay-Kovacs）
M4-M5 嵌套环路	提升 $g_{m4}$ 输出阻抗	限制 $g_{m4}{R}_{p5}$ + M4 共栅（需 $C_0$）
M6-M7 上拉链路	pull-up 能力	$I_5$ 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
$f<g_{m0}/2\pi C_0$	M0-M3 放大器	flicker noise	大尺寸输入对
$g_{m0}/2\pi C_0<f<\text{UGF}$	M4 + $I_4$	$1/g_{m4}$ 源阻抗	大 $I_4$（900 μA），M4 弱反型
$f>\text{UGF}$	$C_L$ 滤波	—	$C_L$ 容量

TI 65 nm 芯片规格：$I_q=1$ mA，$I_{Lmax}=30$ mA，$C_L>100$ 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 $I_4$ 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：$I_{M4}=I_{M8}=I_{M10}=I_{M11}\sim I_6$
• 负载突增：$V_{out}$ 下降 → M8 关断 → $I_6$ 驱动 M9 → $I_4$ 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）
• $I_6$ 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：$I_q=80$ μA，$I_{Lmax}=50$ mA，$C_L>200$ 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 $Q$ 替代方案：

• $Q=A_n/(A_{n-1}-A_n)$，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：$Q=1.25\leftrightarrow {\varphi }_m=43°$，$Q=1\leftrightarrow 52°$，$Q=0.7\leftrightarrow 65°$

自动化验证：Fourier 变换提取 step response 的 tone 频率 → 计算各 tone 的 $Q$ → 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。

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芯片实例汇总

LDO 类型	工艺	$I_q$	$I_{Lmax}$	$C_L$	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

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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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