[논문]높은 PSRR을 갖는 Low-Dropout(LDO) 레귤레이터

김인혜; 노정진

doi:10.7471/ikeee.2016.20.3.318

높은 PSRR을 갖는 Low-Dropout(LDO) 레귤레이터
High PSRR Low-Dropout(LDO) Regulator 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.20 no.3, 2016년, pp.318 - 321

김인혜 (Dept. of Electronics and Communication engineering, Hanyang University) , 노정진 (Dept. of Electronics and Communication engineering, Hanyang University)

초록
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IoT 산업이 빠르게 성장하면서 전원 관리 집적회로의 중요성이 부각되고 있다. 본 논문에서는 리플 Subtractor, 피드 포워드 커패시터, OTA를 이용한 LDO 구조를 제안한다. 이를 통해 10MHz가 넘는 고주파 영역에서도 -40dB 이상 높은 전원 전압 제거비(PSRR)를 얻었다. 설계된 Low-Dropout(LDO) 레귤레이터는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정에서 설계되었으며 시뮬레이션 결과 PSRR은 부하 전류 40mA, 500kHz에서 -73.4dB다. 최대 구동 가능 전류는 40mA이다.

Abstract ▼ AI-Helper

As IoT industry are growing fast, The importance of power management system is also being magnified. CMOS High power-supply rejection ratio(PSRR) Low-dropout(LDO) regulator is achieved by the proposed ripple Subtractor, Feed-forward capacitor and OTA in this paper. The LDO is implemented in $0.18-{\mu}m$ CMOS technology. With the proposed structures, in the maximum loading of 40mA, Simulation result achieves PSRR of -73.4dB at 500kHz and PSRR better than -40dB when frequency is below 10MHz with $6.8-{\mu}F$ output capacitor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 생체 신호용 센서의 안정적인 전원 공급을 위한 LDO의 솔루션을 제시하였다. 제안된 LDO 구조는 헬스 케어 시장에서 센서의 안정성을 높이는 솔루션 개발에 매우 매력적인 기술이 될 것이다.
본 논문에서는 수 MHz 대역에서도 높은 전원 전압 제거비(PSRR)를 갖는 Low-Dropout(LDO)레귤레이터를 설계하였다. 시뮬레이션 결과 PSRR 부하 전류가 40mA일 때 500kHz에서 –73.

제안 방법

에러 앰프는 주파수 특성이 우수한 OTA(Operational Transconductance Amplifier)를 사용하였다. 그리고 PSRR을 향상하기 위해 M₂를 Subtractor로 설계하여 입력 리플을 상쇄했다. 또한, 피드 포워드 커패시터 C_ff를 사용하여 PSRR 주파수 특성을 변화시켰다.
그리고 PSRR을 향상하기 위해 M₂를 Subtractor로 설계하여 입력 리플을 상쇄했다. 또한, 피드 포워드 커패시터 C_ff를 사용하여 PSRR 주파수 특성을 변화시켰다. 이를 통해 고주파에서도 높은 PSRR을 얻을 수 있다.
그림 6은 PSRR 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 부하 전류는 10mA에서 40mA까지 변화시키면서 시뮬레이션 하였다. 500kHz에서 최고점을 찍고 다시 감소한다.
제안된 논문에서는 피드 포워드 커패시터 C_ff를사용하여 PSRR에 제로(zero) 주파수를 추가하여 에러 앰프 단일 이득 주파수 이후에도 높은 PSRR이 유지되도록 하였다. C_ff를 조절하여 에러 앰프 단일 이득 주파수에 가깝게 제로 주파수를 만들 수 있다.

대상 데이터

설계된 LDO는 0.18μm CMOS 공정으로 제작되었다. 그림 5는 LDO 칩 레이아웃이다.

이론/모형

그림 1은 본 논문에서 설계한 Low-Dropout(LDO) 레귤레이터 회로도이다. 에러 앰프는 주파수 특성이 우수한 OTA(Operational Transconductance Amplifier)를 사용하였다. 그리고 PSRR을 향상하기 위해 M₂를 Subtractor로 설계하여 입력 리플을 상쇄했다.

성능/효과

[3] Low-Dropout(LDO) 레귤레이터에서 에러 앰프는 피드백 신호와 기준 전압의 차를 증폭하는 역할을 한다. 높은 PSRR을 갖기 위해 그림 2와 같은 구조를 사용하였고 표 1에 시뮬레이션 결과를 나타내었다.
시뮬레이션 결과 PSRR 부하 전류가 40mA일 때 500kHz에서 –73.4dB이 나왔다.

후속연구

본 논문에서는 생체 신호용 센서의 안정적인 전원 공급을 위한 LDO의 솔루션을 제시하였다. 제안된 LDO 구조는 헬스 케어 시장에서 센서의 안정성을 높이는 솔루션 개발에 매우 매력적인 기술이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LDO의 노이즈를 측정하는 기준은 무엇인가?	LDO의 노이즈를 측정하는 기준은 전원 전압 제거비(PSRR)이다. 기존 LDO의 PSRR은 수십 kHz 대역의 주파수 대역에서 다뤄졌으나 통신 주파수 증가로 수 MHz 이상의 주파수 영역에서도 높은 PSRR을 유지하는 LDO 기술이 요구되고 있다.
	높은 PSRR을 얻기 위한 기존 방식은 무엇인가?	기존 LDO의 PSRR은 수십 kHz 대역의 주파수 대역에서 다뤄졌으나 통신 주파수 증가로 수 MHz 이상의 주파수 영역에서도 높은 PSRR을 유지하는 LDO 기술이 요구되고 있다.[1] 높은 PSRR을 얻기 위한 기존 방식은 피드 포워드 증폭기를 설계하는 방식이다. 하지만 이 경우 시스템 복잡성이 증가하고 25mA 이하의 낮은 전류만 구동할 수 있다.
	피드 포워드 증폭기를 설계하는 방식의 단점은 무엇인가?	[1] 높은 PSRR을 얻기 위한 기존 방식은 피드 포워드 증폭기를 설계하는 방식이다. 하지만 이 경우 시스템 복잡성이 증가하고 25mA 이하의 낮은 전류만 구동할 수 있다.[5] 오류 증폭기를 2~3단계에 걸쳐 설계하는 방식도 제안되나 시스템 안정성이 감소하고 수십 kHz 대역에서 PSRR 성능이 급격하게 떨어진다.

참고문헌 (5)

Ho-Joon Jang, Yong-Seong Roh, Young-Jin Moon, Jeongpyo Park, and Changsik Yoo, "Low Drop-out(LDO) Voltage Regulator with Improved Power Supply Rejection." IEEE JOUNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE, Vol. 12, no. 3, pp. 313-319, September 2012

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Saikrishna Ganta, Chang-Joon Park, Daniel Gitzel, Rafael Rivera and Jose Silva-Martinez, "An External Capacitor-less Low Drop-Out Regulator with Superior PSR and Fast Transient Response." 2013 IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2013, pp. 137-140
J. Roh, "High-Gain Class-AB OTA with Low quiescent Current." Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol.47, No.2, pp.225-228, March 2006.

상세보기
Ju-Won Park, In-Ho Jun, Jeong-Jin Roh, "An Efficient Voltage Mode 2-Phase Buck Converter for Mobile Systems." j.inst.Korean.electr.electron.eng, Vol. 18, no. 3, pp. 320-327, September 2014
Mohamed El-Nozahi; Ahmed Amer; Joselyn Torres; Kamran Entesari; Edgar Sanchez-Sinencio, "High PSR Low Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Technique," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 45, no.3, pp. 565-577, March 2010

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