《电子技术应用》
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一种基于CLASS-AB类运放的无片外电容LDO设计*
电子技术应用
崔明辉1,王星1,李娜2,相立峰1,张国贤1
(1.中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏 无锡 214035;2.江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡214122)
摘要: 介绍了一种基于CLASS-AB类运放无片外电容的低压差线性稳压器(LDO)。电路在高摆率误差放大器(EA)的基础上,通过构建动态偏置电路反馈到EA内部动态偏置管,大幅改善了LDO的瞬态响应能力,且动态偏置电路引入的左半平面零点保证了LDO的环路稳定性。同时,EA采用过冲检测电路减小了输出过冲,缩短了环路稳定时间。电路基于65 nm CMOS工艺设计和仿真。仿真结果表明,在负载电流10 μA~50 mA、输出电容0~50 pF条件下,LDO输出稳定无振荡。在LDO输入2.5 V、输出1.2 V、无片外电容条件下,控制负载在10 μA和50 mA间跳变,LDO输出恢复时间为0.7 μs和0.8 μs,下冲和上冲电压为58 mV和15 mV。
中图分类号:TN402 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223442
中文引用格式: 崔明辉,王星,李娜,等. 一种基于CLASS-AB类运放的无片外电容LDO设计[J]. 电子技术应用,2023,49(9):53-57.
英文引用格式: Cui Minghui,Wang Xing,Li Na,et al. Design of a capacitor-less LDO based on CLASS-AB operational amplifier[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(9):53-57.
Design of a capacitor-less LDO based on CLASS-AB operational amplifier
Cui Minghui1,Wang Xing1,Li Na2,Xiang Lifeng1,Zhang Guoxian1
(1.No.58 Institue , China Electronic Technology Group Corporation, Wuxi 214035, China; 2.School of IoT Engineering College, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
Abstract: This paper introduces a CLASS-AB OPAMP-based Low Drop Regulator (LDO) with no off-chip capacitor. Based on the high swing rate Error Amplifier (EA), a dynamic bias circuit has been constructed to feedback voltage to the internal dynamic bias transistors of EA, which greatly improves the LDO’s transient response capability. Moreover, the left half plane zero-pole introduced by the dynamic bias circuit ensures the LDO’s loop stability. At the same time, the EA adopts overshoot detection circuit to reduce the output overshoot and shorten the loop stability time. The circuit is designed and simulated based on 65 nm CMOS process. The simulation result shows that the LDO output is stable with no oscillation under the condition of 10 μA~50 mA load-current and 0~50 pF output capacitor. Under the condition of 2.5 V voltage input, 1.2 V voltage output, and no off-chip capacitor, if the load jumps between 10 μA and 50mA, the recovery time of LDO output is 0.7 μs and 0.8 μs, and the undershoot and overshoot voltages are 58 mV and 15 mV.
Key words : low dropout linear regulators;transient enhancement circuits;dynamic biasing circuits;no off-chip capacitors

0 引言

在电源管理单元中,LDO能为系统提供稳定的供电电压,其特点是噪声低、结构简单,且具有良好的快速瞬态响应能力,在工业级和消费级的电子设备中具有广泛的应用[1]。通常,应用在不同场景的LDO对各自性能指标有着不同的侧重,而本文设计的无片外电容LDO是应用在以太网芯片内部锁相环PLL(Phase Locked Loop)供电,因此LDO的稳定性和快速瞬态响应对PLL尤为关键。但是,无片外电容结构的LDO具有更大设计的难点。主要是因为负载发生跳变时,LDO输出的过冲电压会显著变化,进而导致输出稳定恢复时间较慢以及输出过冲较大。同时,无片外电容的LDO需要在空载以及满载的条件下都满足LDO整体的环路稳定性能。因此,如何提高无片外电容LDO的负载响应与不同负载条件下的环路稳定性成为LDO研究的热点和难点。

面对上述技术难点,国内外学者也展开了研究和讨论。文献[2] 提出了一种低输入电压的快速瞬态响应片上LDO,采用EA后级和大抽灌电流能力的STCB结构,加入了高通耦合结构,实现了低输入电压和全负载范围下的快速瞬态响应,但其性能改善效果并不显著。文献[3-4]采用增强型AB源极跟随器作为误差放大器和功率管之间的缓冲器,保证了LDO的环路稳定性,但源极跟随器的放电能力较弱,使得此LDO瞬态响应能力较差。而本文设计的LDO结构,使用交叉耦合差分输入对作为第一级输入,第二级采用推挽输出的CLASS-AB运放结构作为EA误差放大器,并叠加动态偏置电路,调节EA内部跟随负载跳变时所需的偏置电流。在环路中,引入限幅电路大幅改善了LDO的瞬态响应能力和过冲。通过调节EA内部管子参数,将主极点设置在EA内部,并借动态偏置电路引入的左半平面零点,抵消内部极点,增加LDO的环路带宽,且无需要额外的弥勒补偿,有效提高了LDO的瞬态响应速度。



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作者信息:

崔明辉1,王星1,李娜2,相立峰1,张国贤1

(1.中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏 无锡 214035;2.江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡214122)

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