(A) hybrid LDO design using GaN power device for enhanced performance and cost efficiency

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents the design of a low-dropout regulator (LDO) integrating Gallium Nitride (GaN) devices with conventional silicon (Si) MOSFETs to leverage the advantages of both technologies. A GaN transistor serves as the pass element due to its excellent switching characteristics and low on-resistance, while Si MOSFETs in the error amplifier provide design flexibility and cost-efficiency. GaN devices are increasingly used in power management integrated circuits (PMICs) for their fast switching, high breakdown voltage, and low conduction losses. However, limited CMOS compatibility and high cost remain challenges. In contrast, Si MOSFETs are CMOS-compatible and cost-effective but constrained by material properties.
The proposed hybrid LDO improves performance over conventional Si-only designs with minimal cost overhead. Operating from a 5 V input, it delivers a stable 1.2 V output, achieving a power supply rejection ratio (PSRR) of -69 dB at 10 kHz, with low quiescent current and fast transient response. The GaN device, EPC2040, is externally configured due to modeling constraints, while the rest of the circuit is implemented in a 65 nm CMOS process. Experimental results confirm the feasibility and efficiency of integrating GaN technology into CMOS-based LDO architectures.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 GaN 소자와 기존 Si MOSFET을 결합한 LDO의 설계 및 구현을 제안한다. 우수한 스위칭 특성과 낮은 온 저항을 지닌 GaN 소자를 Pass Transistor로 사용하였고, 설계 유연성과 비용 효율성을 고려하여 Error Amp에는 Si MOSFET을 적용하였다. GaN 소자는 높은 항복 전압, 빠른 스위칭 속도, 낮은 도통 손실 등의 특성으로 PMIC 분야에서 주목받고 있지만, 높은 비용과 제한된 CMOS 집적성은 여전히 과제로 남아 있다. 반면, Si MOSFET은 경제성 측면에서는 장점을 가지나, 소재 특성으로 인한 성능 한계가 존재한다.
제안하는 LDO는 기존 Si 기반 설계 대비 성능을 향상시키면서도 비용 증가를 최소화하였다. 본 LDO는 5V 입력 전압에서 안정적인 1.2V 출력 전압을 제공한다. 또한, 10 kHz에서 -69 dB의 높은 PSRR을 달성하였고, 낮은 Quiescent Current와 빠른 Transient Response 특성을 보여준다. GaN 소자인 EPC2040은 시뮬레이션 환경의 제약으로 인해 외부 소자로 구성되었으며, Si MOSFET은 65nm CMOS 공정을 이용하여 구현하였다. 실험 결과를 통해, 본 구조가 GaN 기술을 CMOS 기반 LDO 설계에 효과적으로 통합할 수 있는 효율적인 솔루션임을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Basic theory 5
• 2.1. Linear and Switched Regulator 5
• A. Switched Regulator 7
• B. Linear Regulator 9
• 2.2. Performance Metrics of the LDO 10
• A. Line Regulation 11
• B. Load Regulation 13
• C. Line Transient Response 15
• D. Load Transient Response 17
• E. Quiescent Current 19
• F. PSRR 21
• 2.3. Design issue for GaN device 23
• Chapter 3. Proposed LDO 25
• 3.1 Structure 25
• A. LDO 25
• B. Error Amplifier 27
• 3.2 Layout 28
• Chapter 4. Experimental Results 29
• 4.1 Performance 29
• A. Stability 30
• B. PSRR 33
• C. Load Transient Response 35
• 4.2 Summary 37
• Chapter 5. Conclusion 39
• References 40
• Korean Abstract 42