Design of a Flipped-Voltage-Follower-based N-type capless LDO voltage regulator for radio applications

This thesis is developed within the field of Analog and Mixed-Signal Design, with a particular focus on power management in integrated circuits. As modern System-on-Chip designs grow increasingly complex, the need for stable and well-regulated supply voltages becomes critical. In real-world scenarios, power supplies are subject to various disturbances including noise, voltage ripples, and transient voltage spikes, often originating from the dynamic behavior of the system itself. These fluctuations can compromise the performance and reliability of sensitive analog and digital blocks. To mitigate such effects, voltage regulators are employed to deliver a controlled and consistent supply voltage to the sensitive analog and RF blocks, regardless of variations in load or input conditions. While voltage regulators share a common structural foundation, their implementations vary widely depending on application-specific requirements, making their design a complex task that requires balancing performance, efficiency, and stability. This work focuses on the design of a low-dropout regulator tailored for radio-frequency applications. These systems impose stringent demands on the power delivery network due to their impulsive nature and high magnitude current transients. To meet these requirements, a two-loop LDO architecture was developed, combining high bandwidth and precise DC regulation. The proposed design achieves BW>150 MHz with static error < 0.1% and a = 2.71 .

Questa tesi si sviluppa nell’ambito della progettazione di circuiti integrati analogici, con un focus particolare sul power management, ovvero quella parte di cicuiti all’interno di un chip che si occupa di gestire l’alimentazione del resto del sistema. Con l’aumentare della complessità dei moderni sistemi integrati, diventa essenziale garantire tensioni di alimentazione stabili e ben regolate. In scenari reali, le alimentazioni sono soggette a disturbi di vario tipo, tra cui rumore e oscillazioni, spesso generati dal comportamento dinamico del sistema stesso. Tali fluttuazioni possono compromettere le prestazioni e l’affidabilità dei blocchi analogici e digitali più sensibili. Per mitigare questi effetti, si utilizzano i regolatori di tensione, circuiti progettati per fornire una tensione costante e controllata ai blocchi analogici e RF, indipendentemente dalle variazioni del carico o della tensione di ingresso. Sebbene i regolatori di tensione condividano una struttura di base comune, le loro implementazioni variano ampiamente in funzione dei requisiti specifici dell’applicazione, rendendo la loro progettazione un compito complesso che richiede un attento bilanciamento tra numerose figure di merito. Questo lavoro si concentra sulla progettazione di un regolatore a bassa caduta di tensione per applicazioni radio. Tali sistemi impongono requisiti stringenti al regolatore che li alimenta, a causa della loro natura impulsiva e degli ampi transitori di corrente. Per soddisfare queste esigenze, è stata sviluppata un’architettura a doppio anello, capace di combinare ampia larghezza di banda e regolazione precisa in condizioni stazionarie. Il progetto proposto raggiunge una larghezza di banda superiore a 150 MHz, con errore statico< 0.1% ed una FOM pari a 2.71 ps.