《電子技術應用》
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一種基于CLASS-AB類運放的無片外電容LDO設計*
電子技術應用
崔明輝1,王星1,李娜2,相立峰1,張國賢1
(1.中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 214035;2.江南大學 物聯網工程學院,江蘇 無錫214122)
摘要: 介紹了一種基于CLASS-AB類運放無片外電容的低壓差線性穩壓器(LDO)。電路在高擺率誤差放大器(EA)的基礎上,通過構建動態偏置電路反饋到EA內部動態偏置管,大幅改善了LDO的瞬態響應能力,且動態偏置電路引入的左半平面零點保證了LDO的環路穩定性。同時,EA采用過沖檢測電路減小了輸出過沖,縮短了環路穩定時間。電路基于65 nm CMOS工藝設計和仿真。仿真結果表明,在負載電流10 μA~50 mA、輸出電容0~50 pF條件下,LDO輸出穩定無振蕩。在LDO輸入2.5 V、輸出1.2 V、無片外電容條件下,控制負載在10 μA和50 mA間跳變,LDO輸出恢復時間為0.7 μs和0.8 μs,下沖和上沖電壓為58 mV和15 mV。
中圖分類號:TN402 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223442
中文引用格式: 崔明輝,王星,李娜,等. 一種基于CLASS-AB類運放的無片外電容LDO設計[J]. 電子技術應用,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

在電源管理單元中,LDO能為系統提供穩定的供電電壓,其特點是噪聲低、結構簡單,且具有良好的快速瞬態響應能力,在工業級和消費級的電子設備中具有廣泛的應用[1]。通常,應用在不同場景的LDO對各自性能指標有著不同的側重,而本文設計的無片外電容LDO是應用在以太網芯片內部鎖相環PLL(Phase Locked Loop)供電,因此LDO的穩定性和快速瞬態響應對PLL尤為關鍵。但是,無片外電容結構的LDO具有更大設計的難點。主要是因為負載發生跳變時,LDO輸出的過沖電壓會顯著變化,進而導致輸出穩定恢復時間較慢以及輸出過沖較大。同時,無片外電容的LDO需要在空載以及滿載的條件下都滿足LDO整體的環路穩定性能。因此,如何提高無片外電容LDO的負載響應與不同負載條件下的環路穩定性成為LDO研究的熱點和難點。

面對上述技術難點,國內外學者也展開了研究和討論。文獻[2] 提出了一種低輸入電壓的快速瞬態響應片上LDO,采用EA后級和大抽灌電流能力的STCB結構,加入了高通耦合結構,實現了低輸入電壓和全負載范圍下的快速瞬態響應,但其性能改善效果并不顯著。文獻[3-4]采用增強型AB源極跟隨器作為誤差放大器和功率管之間的緩沖器,保證了LDO的環路穩定性,但源極跟隨器的放電能力較弱,使得此LDO瞬態響應能力較差。而本文設計的LDO結構,使用交叉耦合差分輸入對作為第一級輸入,第二級采用推挽輸出的CLASS-AB運放結構作為EA誤差放大器,并疊加動態偏置電路,調節EA內部跟隨負載跳變時所需的偏置電流。在環路中,引入限幅電路大幅改善了LDO的瞬態響應能力和過沖。通過調節EA內部管子參數,將主極點設置在EA內部,并借動態偏置電路引入的左半平面零點,抵消內部極點,增加LDO的環路帶寬,且無需要額外的彌勒補償,有效提高了LDO的瞬態響應速度。



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作者信息:

崔明輝1,王星1,李娜2,相立峰1,張國賢1

(1.中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 214035;2.江南大學 物聯網工程學院,江蘇 無錫214122)

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