ETD

• capless low-dropout regulator
• charge pump
• folded cascode error amplifier
• loop stability
• low-dropout regulators
• nmos pass transistor
• STMicroelectronics 90nm bcd technology
• transient response

This thesis presents the analysis, design, and implementation of capless Low-Dropout (LDO) regulators based on an NMOS pass transistor, developed in STMicroelectronics 90nm BCD technology. After introducing the main architectures of linear and switching regulators and reviewing the key performance metrics of LDOs, the work focuses on the specific challenges of output-capacitorless configurations, where loop stability and transient response become critical design constraints. In the absence of an external output capacitor, the NMOS pass device cannot be sized only according to the average load current, but must also satisfy strict dynamic requirements, often requiring oversizing to improve current delivery during fast load transients. To properly drive the NMOS gate, the regulator employs a dual-supply folded cascode error amplifier providing high DC gain and wide bandwidth, together with an internal charge pump that boosts the gate voltage. Three different LDO implementations were designed and compared, each optimized for specific load conditions through tailored compensation. Simulation results, including PVT corners and Monte Carlo analyses, confirm robust stability, good dynamic behavior, and reduced voltage droop, demonstrating the suitability of the proposed solutions for advanced integrated power management.

Questa tesi analizza, progetta e implementa regolatori Low-Dropout (LDO) capless basati su transistor di passaggio NMOS, sviluppati in tecnologia STMicroelectronics 90nm BCD. Dopo una panoramica sulle architetture dei regolatori lineari e switching e sui principali parametri prestazionali degli LDO, il lavoro si concentra sulle problematiche specifiche della configurazione senza condensatore di uscita esterno, in cui stabilità e risposta ai transitori diventano aspetti critici. In assenza del condensatore di uscita, il dimensionamento del transistor NMOS deve essere orientato non solo alla corrente media di carico, ma soprattutto ai requisiti dinamici, richiedendo un opportuno sovradimensionamento per garantire una rapida erogazione di corrente durante i transitori. Per pilotare correttamente il dispositivo NMOS, il sistema utilizza un amplificatore d’errore folded cascode dual-supply ad ampio guadagno e banda, insieme a una charge pump interna per elevare la tensione di gate. Sono state progettate e confrontate tre diverse implementazioni, ottimizzate per differenti profili di carico tramite un’adeguata compensazione. I risultati di simulazione, inclusi PVT corners e analisi Monte Carlo, dimostrano buone prestazioni dinamiche e una buona stabilità.