NAND里的LDO設(shè)計(jì)

我們當(dāng)然希望LDO的輸出準(zhǔn)確、負(fù)載（電流）變化時(shí)能夠快速響應(yīng)。

像圖2所示：

這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間受限于feedback loop delay反饋環(huán)路延遲，即，當(dāng)負(fù)載電流從空載到重載時(shí)，Vout上被Iload下拉，反饋環(huán)路要工作，防止Vout繼續(xù)下降，這段時(shí)間就是TR，叫做Load response time，這幾個(gè)變量之間的關(guān)系表示為：

如圖2(a)結(jié)構(gòu)，我們常常要考慮環(huán)路的穩(wěn)定性，從而限制了loop bandwidth，所以TR時(shí)間約1~3us。

保守設(shè)計(jì)decap電容1.46nF，△I為24mA，這么計(jì)算下來，要想△V在10mV以下，TR需要低于610ps。

-->10mV****的設(shè)計(jì)要求算是很苛刻了，比如我們實(shí)際上允許 0.1V ，那么TR計(jì)算約為 6.1us 。

我們看有哪些方式可以實(shí)現(xiàn)ultra-fast load regulation。

圖 3(a) 原型來源于 2005 ， Area-Efficient Linear Regulator With Ultra-Fast Load Regulation.

直接采用source follower（圖1(a)）利用傳輸管M0源端的低阻抗特性達(dá)到fast load regulation，缺點(diǎn)是低電源電壓下，VG的headroom不夠。

圖1(b)做了個(gè)charge pump提升輸出NMOS管的柵壓，這個(gè)M0R通路不去觀測VOUT輸出波形，load regulation只依賴于M0管的I-V曲線，90mV的△V對應(yīng)于Imin和Imax比值約1:10.

這里又引用了 1998 Embedded 5V-to-3.3V Voltage Regulator for Supplying Digital IC's in 3.3V CMOS Technology 。

你覺得****C1 是什么作用？ 180pF 。

比如這里要求輸出最大偏差±300mV=600mV。包含兩個(gè)部分1）control part; 2）輸出的variation。分配給前者200mV，后者400mV。而輸出400mV的偏差又來源于兩個(gè)部分，首先是取決于M1尺寸的Vgs偏差，其次是輸出OUT經(jīng)M1的Cgs耦合后在VG上的偏差。

減小輸出節(jié)點(diǎn)到M1柵端的coupling。

C1和M1占據(jù)了整個(gè)LDO的面積，C1做的越大，VG上的ripple就越小。M1就可以不用做的太大；

C1做的越小，VG偏差大，留給M1的Vgs余量小，也就是說M1就需要做很大了。

這里C1和M1的面積存在折中。

200uA的偏置電流Imin，100mA的負(fù)載電流Imax，400mV最差動(dòng)態(tài)偏差（140°C），那么就需要W/L位14000um/0.5um, C1為180pF。這個(gè)時(shí)候M1的柵端VG電壓為4.5V高壓，不過沒有關(guān)系，這是3.3V的工藝。M1采用最小尺寸，工作在Weak inversion區(qū)，最大化gm/I。The typical large-signal output resistance for these dimensions is about 3Ω。

這篇文章handle the maximum specified peak load currents針對的是負(fù)載電流的“峰值”。我們都知道Peak load currents in digital circuits can be much larger than the average current而峰值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均電流。

對于圖4電流，需要一個(gè)start-up circuit is required for pre-charging VG in order to initialize circuit operation.啟動(dòng)電路來初始化輸出。

為什么使用 Replica Feedback ？

不直接去sense輸出電壓，而是復(fù)制了一個(gè)通路。版圖上，the replica transistor is located at the center of the output power transistor array.

"Replica"通路保證輸出工作在dc工作點(diǎn)附近，保證環(huán)路不直接受負(fù)載電流影響。

從圖5看出來，使用"replica"通路，紋波改善了一半。

這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)還包括：

1. Charge pump
2. Clamp
3. Power-Down Mode
4. Start-up circuit

再回到2005那篇 paper ，對super source follower結(jié)構(gòu)的輸出阻抗的小信號分析，可以學(xué)習(xí)一下。

空載，偏置電流流過M4和M0，M2關(guān)斷，M0管流過small bias current。

當(dāng)負(fù)載電流增大，VOUT電壓掉落，M4關(guān)斷，電流流過M2的源端，拉低M0的柵端電壓，使M0導(dǎo)通更多，電流從VIN到VOUT去補(bǔ)償整個(gè)droop。

這里不考慮CDIE情況下，輸出阻抗表現(xiàn)為單極點(diǎn)：

也就是說，the decoupling capacitor is not required to make the P-stage stable.

這里輸出阻抗可以建模為電阻R和電感L的串聯(lián)，其中：

我主要想講的是圖 4 ，基于CMP比較器結(jié)構(gòu)的 REGULATOR 。

在這里，the propagation delay of the comparator determines the load response time即，比較器的傳播延遲決定了所謂的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間。

然后這里又講了一個(gè)基于CMP結(jié)構(gòu)的REG的缺點(diǎn)： self-generated output ripple 。

從圖4(a)和(b)，a fast comparator is desirable not only to achieve a small value of TR but also because of its effect on the output ripple.比較器速度越快，負(fù)載響應(yīng)時(shí)間TR越快，輸出節(jié)點(diǎn)紋波越小。

接下來說一下 Distributed Regulator System 。

比如在DDR3 I/O應(yīng)用下，文章提取了Vout電源網(wǎng)絡(luò)的RC模型，如果只使用一個(gè) REGULATOR ，在最大負(fù)載電流下， IR****上的壓降高到 24mV 。 采用了分布式設(shè)計(jì)，這個(gè)IR drop可以將位2.4mV。分布式設(shè)計(jì)/布局的另一個(gè)好處：power dissipated in the passgates is more evenly spread across the chip。

當(dāng)然，這種分布式設(shè)計(jì)也是有問題的，叫做Load Sharing Problems.

后面的就是提出解決方案，Dual-loop結(jié)構(gòu)。

最后回到2018年的這篇針對于NAND里LDO設(shè)計(jì)的最新文章，可謂是非常有趣，而我只能讀懂一點(diǎn)點(diǎn)。。。

輸入電源電壓 2.3-3V ， LDO**輸出 2.1V ， 20ns響應(yīng)150mA負(fù)載電流，輸出droop**為 225mV 。靜態(tài)電流功耗 81uA ，片上輸出電容 2nF 。

怎么去提高輸出傳輸管柵端的SRgate?

要么費(fèi)功耗ISR，要么減小Cgg，不好弄。。。

這里結(jié)合了基于AMP和基于CMP的LDO結(jié)構(gòu)，提出了兩者結(jié)合的設(shè)想：

單單采用基于AMP結(jié)構(gòu)，只能增加Ibias電流了，如果不然，像圖1(a)所示，Vout droop會(huì)很大；

單單采用基于CMP結(jié)構(gòu)，雖然不存在穩(wěn)定性問題，但是這個(gè)結(jié)構(gòu)我們之前也從引用的文章里看出，他有自己固有的紋波；

兩個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)合，基于AMP結(jié)構(gòu)工作在穩(wěn)態(tài)，保證精度；基于CMP結(jié)構(gòu)提供快速的響應(yīng)速度，在steady state下并不work，所以不存在intrinsic output ripple了，如圖3。

...In other words, CMP-based LDO assists AMP-based LDO to minimize ΔVout only during the transient state, in which AMP-based LDO does not yet regulate Vout...注意AMP和CMP工作區(qū)間以及這里△VREF。

雖然CMP在穩(wěn)態(tài)時(shí)不工作，但是考慮到負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，我們需要把比較器的傳播延遲降到最小，不然的話，△Vout又增大了。

重新給出the duration time from the point at which Vout drops to that at which it stops is called the response time of Vout...TR的表達(dá)式：

基于AMP結(jié)構(gòu)的LDO，我們當(dāng)然期望傳輸管的Vgate能降到一定電壓，使MPa產(chǎn)生足夠大的電流補(bǔ)償Iload，Ipa快速的接近于Iload。

△Vgate是Mpa柵端的變化值?？磮D4(a)，TR=Tgate。

對圖4(b)來說，TR取決于CMP的傳播延遲和柵驅(qū)動(dòng)電路gate driver。

Tdelay是ns級，比Tgate快多了。

△ Vref****有什么用？

用來分立AMP和CMP的操作。

比如如果Vref_d和Vref_a非常接近，AMP和CMP同時(shí)工作，就會(huì)帶來前面講的intrinsic output ripple。為了防止CMP的self-oscillation，這里選擇△Vref should be larger than the magnitude of transient output ripple in order to ensure that CMP does not respond to Vripple in the steady state...AMP和CMP基準(zhǔn)電壓比較點(diǎn)的差值△Vref至少大于輸出的紋波Vripple。

圖5是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的LDO整體圖。

這種高端的方式怎么去確定△ Vref****的值？這個(gè)值太大或太小有什么問題？

ICMP1取10uA，10uA電流通過7kΩ電阻，產(chǎn)生的壓降是70mV；反之，開關(guān)全閉合后，電阻為0，見圖5左下角表格。

圖6告訴我們△Vref的calibration和AVC的實(shí)現(xiàn)方式。

1->首先，B[0]~B[2]默認(rèn)值111，△VREF最大70mV，將AMP和CMP兩種方式明顯隔開；

2->△Vref calibration開始，Vref_d從最接近Vref_a的配置000開始，比較器開始bang-bang控制，△Vref控制單元去記Vcmp的震蕩周期，每64個(gè)周期的下降沿產(chǎn)生一個(gè)短脈沖Vup。B[0]~B[2]呢，在Vup脈沖處加1，直至Vref_d離Vref_a夠遠(yuǎn)，CMP環(huán)路不再工作，Vcmp的震蕩也結(jié)束，這就是...the minimum value at which the operation of CMP-based LDO can be separated from that of AMP-based LDO in the steady state...兩個(gè)環(huán)路基準(zhǔn)電壓比較點(diǎn)的最佳差距。

由于電源電壓變化范圍在2.3V~3V，Idig變化范圍也很大。圖5中的DPGC電路通過控制Mdig的尺寸大小提供不變的Idig電流。

圖7給出DPGC實(shí)現(xiàn)線路：

2位ADC檢測電源電壓Vin水平，輸出結(jié)果經(jīng)溫度編碼控制Mdig的尺寸。

工作在CMP模式下的Mdig處于線性區(qū)，應(yīng)用線性區(qū)的管子工作I/V關(guān)系式和VIN/VOUT值可以理論計(jì)算Mdig的尺寸。

按照修正的式(10)進(jìn)行理論計(jì)算，跟仿真非常接近。