<Linear Regulator Definition>
1. 일정한 전압을 안정, 유지시켜주는 역할
2. 어떠한 전압이 입력되더라도, 스위칭을 통해 정해진 전압만을 출력
<Type>
1. Linear
2. Switching
<Linear Regulators - Pros & Cons>
1. opamp + SF stage를 이용한 linear regulator
===
동작 :
1. opamp의 Vref 값과 Vout 값을 feedback을 통해 비교
2. 초기에는 Current를 구동할 수 있는 Vout의 값이 형성되지 않음
3. Vout의 목표 값을 달성할 때 까지 Vg의 voltage potential 증가
4. Vgs의 값이 커지면서 M0 Tr의 구동 Id, gm값 증가
5. I bias의 current를 Drive할 수 있는 Vgs값을 달성함
6. 목표 Vout 수치 달성
7. Feedback 회로 및 출력부 안정화
===
<Load Variation>
만약 Load의 특성, 혹은 stage의 추가로 Load Current의 양이 변화하면 Vout이 변화한다.
예를 들어, I,Load current가 증가한다면
Vout은 Drop된다. (떨어진다)
이때 안정화 되었던 feedback loop의 상태가 깨지면서 다시 Vout을 안정화하기 위한 process를 진행
즉, M0의 Driving Current를 I,Load에서 가져간 만큼 더 구동하기 위해 Vg값을 상승시킴.
(증감의 방향이 반대일 경우도 동일)
===
<Pros>
1. Low Output Impedance로 Load의 변화가 발생해도 빠른 복구가 가능
2. 상대적으로 간단한 구조로, 안정적인 Voltage potential 유지 가능
<Cons>
1. Vout potential은 항상 Vg 값보다 낮아야 함 (nmos 기준), 즉 일정 수준 이상의 output voltage를 구현하기 위해서는 그만큼 높은 Input Voltage Potential이 필요
2. Pass TR (current driving mosfet)이 상대적으로 큰 값의 current를 구동해야 하므로, Wide TR의 사용이 필요.
(Wide Tr : parasitic cap 증가, 면적 증가 → stability issue 발생)
2. Source Follower with Gate Overdrive
1번 구조의 한계점을 극복하기 위해 Mor TR을 추가한 stage structure
기본적인 동작 원리는 1번의 경우와 동일
하지만 1번 구조에서는 Vout voltage potential이
Current Driving Transistor의 Vov만큼 깎인 채로 limit이 걸림
이때 Charge Pump + Mor TR을 추가해 Vout 구동 전압의 limitation을 완화시킴.
<동작>
1. 차지 펌프를 통해 생성된 추가 Voltage 값이 Vg에 전달
2. M0 TR (Vout current driving 역할)의 Vg 값과 공유
3. 더 높은 Vg의 값으로 Current를 구동
즉, 1번의 구조보다 더 높은 Vout potential을 달성 가능.
===
<Pros>
1. Gate Overdirve 작용으로 SF stage에서의 Vout 출력 전압 손실이 적어짐.
즉, 더 높은 Vout potential 유지 가능
2. Output Impedance 또한 여전히 낮은 수준이므로, Load의 변화에 빠르게 안정화 가능
<Cons>
1. Replica stage (Mor)가 추가되면서 power consumption 증가
2. 구조의 복잡성 증가 (Charge Pump 구현 + MOSFET stage 추가)
===
3. Pmos TR - Common Source output stage
M0가 CS stage로 Vout을 구동하는 형태의 Regulator
출력 전압을 제어할 때 높은 Gain을 사용
===
<동작>
1. Feedback을 통해 Vout/Vref값 비교 및 안정화
2. negative feedback 동작에서, M0는 CS stage 방식으로 동작
3. Vg의 전압이 낮아지면 Ids current를 증가시킴 (pmos)
===
===
<Pros>
1. CS stage 구조로 높은 Gain값을 통해 Vout 출력 정밀 제어 가능
(아주 작은 Vout의 변화가 있더라도, 큰 gain을 낼 수 있는 CS stage의 특성으로 더 정밀한 보정 가능)
(High Gain 사용으로 Vout의 range가 증가)
2. 상대적으로 높은 Vout potential을 안정적으로 유지할 수 있음
<Cons>
1. CS stage를 사용하게 되면서, Output Impedance가 상대적으로 높아짐
(즉, 부하 변화에 따른 stability 특성 저하)
2. High-Frequency 구동에서의 한계점 발생 (miller effect of Cgd)
| Structure | Pros | Cons | Feature |
| (a) SF stage | - Low Output Impedance | - Vout potential을 Vg potential 값 이상으로 출력 불가. | Basic structure |
| (b) SF stage + Gate Overdrive |
- Charge Pump를 이용해 높은 출력 전압 설정 가능. - Low Output Impedance |
- 구조 복잡성 증가 - Charege pump 사용으로 power 소모 증가 (Load 변화에 따라 power 소모 변화) |
Basic structure의 Vout limitation 해결 |
| (c) CS stage | - High Gain을 이용한 넓은 전압 출력 가능 - Basic Structure과 유사 |
- High Output Impedance (반응 늦음) - output impedance 보상 회로 필요 |
더 넓은 전압 range 설정 가능 |