关键字 |
| 退出低、低功率、32 nm, CMOS技术。 |
介绍 |
| CMOS线性监管机构广泛应用于电池供电的便携式电子设备的低漏失和低电源电流特征发现世界上更有利的电子产品。监管机构被定义为,的压差值差动电压的调节控制回路提供的停止。监管机构是一个装置,调整一个分压器网络保持一个恒定的输出电压,并不断消散的区别作为余热输入和调节电压。低退出监管机构的性质使它适合用在许多应用程序即汽车、便携式、工业和医疗应用程序。LDO监管机构使电池使用到一定的极限,因此监管机构现在基本电源管理集成电路设备如手机、数码相机、笔记本电脑电池寿命长。也低静态电流流是非常重要的在便携式产品的总电流损耗决定了电池的寿命。 |
| 电源管理寻求改善设备的功率效率导致延长电池寿命和操作时间的设备。电源管理系统包含多个子系统包括线性稳压器、开关监管机构和控制逻辑[8]。LDO监管机构是电力管理系统的一个重要组成部分,提供恒定电压供应rails [4]。随着低功率电池驱动电路,要求特别强调紧性和可移植性。使用更小的晶体管尺寸使瞬态响应快,因为门口的转换速率限制的功率晶体管相对不严重[4]。所以它已经成为必须优化现有低退出监管机构结构更全面的性能。 |
| 重点是设计一个可编程的低压差稳压器(LDO)可以与一个非常小的输入输出差分电压32纳米CMOS技术的输出电压水平外部控制信号的控制。LDO电路的操作是基于反馈控制输出电流的一种放大误差信号的功率晶体管驱动负载。更多的重点是密实度和监管机构提出了与稳定和监管问题。将电源管理电路集成到系统芯片(SoC)设备已成为一个越来越明显的趋势在SoC发展[3]。提出的设计是一个完整的SOC芯片(系统)设计提供了许多电路应用在便携式、工业和医疗领域。 |
相关工作 |
| 从回顾已发表的文献,可以看出,许多研究人员设计不同型号的低退出监管机构通过应用不同的方法。也许多现象已开展提高LDO监管机构的瞬态响应和与稳定问题和电源管理问题。看到,纳米技术证明更好的实现所需的性能规格。误差放大器结构改善负载调节的低电压、低压差监管者可以使用。在[5]-[7],外部控制信号打开或短开关晶体管改变反馈电阻分压器比率来实现可编程输出电压。使用一个简单的LDO稳压器OTA-type EA加上一个自适应瞬态加速实现快速瞬态响应,低智商和高PSR在范围广泛的操作条件[1]。通过比较电路拓扑设计LDO稳压器,见过,一般来说,所有LDO规范约束对方。同时很难提高他们所有人。电容器少LDO结构克服了典型负载瞬态和ac稳定问题[4]。此外,该设计可以与数字可能实现[2]和可编程性可以用来增加应用领域。 As future nm technology offers more advantages in achieving most of the performance specifications so it is beneficial to propose the regulator with the selection of lower order of nm technology to fulfil targeted demands. |
传统的低开断电压调节器 |
| 一个低压差线性稳压器将与输入电压操作仅略高于所需的输出电压。图1显示了常规低退出监管机构。使用参考电压运放来生成一个稳压;它提供一个恒定的输出电压将与输出电压的反馈网络。如果参考电压与温度是稳定的,这一事实为Vreg是一个函数的电阻率和变异运算放大器的开环增益是麻木的使用反馈使稳压稳定过程和温度变化。 |
| 误差放大器产生误差信号反馈时感觉到不同于参考电压输出。通过元素提供所需的输出电流来驱动负载。通常通过使用元素是PMOS晶体管。这个设备必须非常宽,以便它可以合理gate-source大负载电流电压源。长度仍在保持低阈值电压的最小值。输出电压的LDO的排水PMOS晶体管,和电阻R1和R2形成一个分压器来养活的一小部分输出电压输入。R1和R2很大以至于几乎没有电流通过,减少功耗的反馈路径。环路增益取决于产品的电压增益的两个主要阶段的系统架构。高环路增益提供良好的线和负载规定。 |
提出了监管机构体系结构和它的工作 |
| 误差放大器能够减少感光性增益的变化PMOS和NMOS器件由于高增益和电阻反馈网络。这样一个稳定的稳压输出。设计使用的是通过元素负责大型地面增加电流作为输出负载的增加。基于MOSFET的ldo更节能的地面随负载电流增加最小。在建议的体系结构,输出级current-sourcing pmo是补充道。要求的数量被拉到地面以偏见为饱和区域。因此,现有的拓扑修改添加阶段和一个共同的来源,与放大装置。这个放大设备使用是足够大的,作为一个强大的下拉设备。常见的——源阶段负责加强信号swing和提高运算放大器输出的增益,随后。同源性疾病阶段也有用拉的门大PMOS足够低,使其gate-to-source电压增加。 If the feedback voltage is smaller than the reference voltage, the gate of the PMOS device is pulled to lower, so that more current is allowed to pass and increases the output voltage. If the feedback voltage is greater than the reference voltage, the gate of the PMOS device is pulled to higher, so that less current is allowed to pass and decreases the output voltage. |
| 可编程性被添加到LDO通过使用两个外部控制信号,ctrl1and ctrl2应用在两个NMOS的门的输入设备。二进制输入带来的阻力为偏置电路和控制输出电压的晶体管饱和。该建议的体系结构由以下阶段: |
| 答:误差放大器 |
| 一个高增益运算放大器作为误差放大器[10],和一个稳定的参考电压喂给它的一个输入,而其他在地上。参考电压通常是来自一个带隙基准电路。微分的使用运算放大器的电流镜NMOS负载和PMOS尾电流源,随着gate-drain连接负载由一个理想的电流源驱动的Idc。电流镜NMOS负载负责提供高输出阻抗和高收益。一个运算放大器与这种负载称为open-transconductance放大器,所有节点在哪里低阻抗节点除了微分对[11]。电阻反馈网络平衡放大器通过最小化放大器输入偏移量。误差放大器的输出级的设计有一个实质性影响所需的功率晶体管的大小负载调整率的提高,尤其是在VLSI系统的电源电压很低[3]。 |
| B .Common-Source放大器 |
| 一般来说,源跟随器作为大多数LDO的缓冲阶段。源跟随器是一个简单的实现缓冲区的使用自然NMOS晶体管和不对称电流驱动能力和有限的收益。因此同源性疾病放大器使用。它有一个小信号增益由通用汽车- Av = (Ro1 | | Ro2) |
| 在这里,通用的跨导放大装置;Ro1 Ro2的输出电阻负载和放大设备。当放大设备(NMOS)足够大,那么在第二个阶段我们可以获得改善。NMOS也充当一个强下拉设备,产生轨到轨摇摆。与轨到轨运算放大器输出级实现的最大输出信号在单电源低电压系统中。他们有能力供应rails生成一个输出信号。 |
| c . Current-Sourcing PMOS |
| 在我们的设计中,与高压PMOS阈值使用。如果使用低电压阈值管理办公室,然后我们可以利用面积较小但低压阈值场效应晶体管已知导致泄漏电流,增加设备的功耗。因此使用current-sourcing负责输出节点的快速充电和放电,能够提高转换速度获得更快的解决时间。 |
使用32纳米CMOS技术实现 |
| 拟议的LDO设计使用32纳米CMOS / VLSI技术MICROWIND 3.1。这项技术所需的有效栅长度28 nm。主要相关小礼品32纳米技术是high-k栅氧化层,金属门,第三代high-k通道互连介电材料应变和性能。这些关键功能从不同的供应商提供的32纳米技术如台积电、富士通、英特尔等。45纳米CMOS技术,相比32纳米CMOS技术提供了: |
| 吗?增加30%切换性能。 |
| 吗?能源消耗减少30% |
| 吗?密度高出2倍。 |
| 吗?2倍的减少漏在源极和漏极之间,通过栅氧化层。 |
| 考虑32纳米技术的优势在45纳米,90纳米和65纳米技术,设计低开断电压调节器的工作提出了32纳米CMOS技术。大量的函数的单片集成在一个芯片上通常提供了更少的面积/体积,因此,密实度,减少能源消耗,减少测试需求在系统层面上,更高的可靠性,主要是由于改进芯片上的互联更高速度将显著降低互连长度,显著的成本节约。 |
| MICROWIND3.1程序允许设计和模拟集成电路在物理描述水平。包由图书馆共同逻辑和模拟ic的视图和模拟。这个项目还包括一个面具的所有命令编辑器以及原始工具从未聚集在一个模块(2 d和3 d流程视图,VERILOG编译器,金属氧化物半导体设备上的教程)。每一步的设计遵循MICROWIND 3.1软件的设计流程。根据VLSI设计方法将后端设计流程。图显示了CMOS提出结构的布局。的主要目标是设计和分析低退出监管机构。我们可以获得电路仿真通过按一个键。电提取电路自动执行并立即模拟模拟器产生电压和电流曲线。 |
结果和讨论 |
| 图5显示了电压波形与时间。看到,当我们申请两个外部控制信号在大门口两个NMOS晶体管的输入。二进制输入出现在门口负责引入调节电路得到监管可编程电压不同水平下表中给出。 |
| 这个编程允许四个控制输入的两个不同的输出电压跌落电压只有60 mV。功耗很低,因为它消耗2.019μw权力。多个应用程序可以利用可编程性。 |
| 减少VDD成为限制能耗的一种非常有效的手段。提出了LDO,电源VDD 0.80伏特。提出了LDO的宽度是5.7μm &μm其高度是2.7。因此提出了可编程LDO的表面积是15.2μm2。NMOS器件使用的总数5 & PMOS设备6。电气节点使用20。 |
结论 |
| 超大规模集成技术是当今发展最快的领域。连续调查可以看出铸造技术和电源电压范围是不断随科技的进步。通过缩放技术,我们可以得到更低的能耗。我们设计了一种低功率低退出监管机构能够提供不同的输出电压,根据控制信号。 |
| 下表显示了仿真过程后的参数提出了LDO microwind3.1目标 |
| 设计产量大约30分贝增益,但更好的获得可以通过进一步增加跨导的微分。还通过减少数量的阶段,使用级联拓扑与电阻偏置可以产生更大的收益。在此体系结构中,外部电容器1 pf的使用是相当大的,但capacitorless架构提出了[4]和形成一个当前的CMOS LDO设计文学的重要组成部分。当前设计因此改善这个方向的范围。大外部电容器用于典型的ldo可以删除允许更大的电力系统集成芯片系统(SoC)的应用程序需要一个良好的薪酬方案的瞬态响应和交流电(ac)的稳定性。此外,该设计可以与数字可能实现和可编程性可以适用于更多的应用程序添加考虑未来技术的进步。 |
表乍一看 |
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| 表1 |
表2 |
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数据乍一看 |
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引用 |
- Chung-HsunHuang Ying-Ting Ma, Wei-Chen廖”,低压低压差稳压器的设计。”IEEE非常大规模集成电路(VLSI)系统,22卷,不。2014年6月6 pp.1308 - 1313。
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- “改进的CMOS LDO的监管机构沟通误差放大器设计应用程序”,鑫泉Lai电子CAD和DonglaiXu研究所科技学院
- “CMOS电路设计、布局和模拟”r·雅各布·贝克IEEE出版社系列微电子系统,图斯伯里和乔·斯图尔特·k·e·布鲁尔系列编辑
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