《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于CLASS-AB類運(yùn)放的無(wú)片外電容LDO設(shè)計(jì)*
電子技術(shù)應(yīng)用
崔明輝1，王星1，李娜2，相立峰1，張國(guó)賢1
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035；2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）
摘要： 介紹了一種基于CLASS-AB類運(yùn)放無(wú)片外電容的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。電路在高擺率誤差放大器（EA）的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建動(dòng)態(tài)偏置電路反饋到EA內(nèi)部動(dòng)態(tài)偏置管，大幅改善了LDO的瞬態(tài)響應(yīng)能力，且動(dòng)態(tài)偏置電路引入的左半平面零點(diǎn)保證了LDO的環(huán)路穩(wěn)定性。同時(shí)，EA采用過(guò)沖檢測(cè)電路減小了輸出過(guò)沖，縮短了環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間。電路基于65 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)和仿真。仿真結(jié)果表明，在負(fù)載電流10 μA~50 mA、輸出電容0~50 pF條件下，LDO輸出穩(wěn)定無(wú)振蕩。在LDO輸入2.5 V、輸出1.2 V、無(wú)片外電容條件下，控制負(fù)載在10 μA和50 mA間跳變，LDO輸出恢復(fù)時(shí)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(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)放的無(wú)片外電容LDO設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓，其特點(diǎn)是噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有良好的快速瞬態(tài)響應(yīng)能力，在工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)的電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用[1]。通常，應(yīng)用在不同場(chǎng)景的LDO對(duì)各自性能指標(biāo)有著不同的側(cè)重，而本文設(shè)計(jì)的無(wú)片外電容LDO是應(yīng)用在以太網(wǎng)芯片內(nèi)部鎖相環(huán)PLL（Phase Locked Loop）供電，因此LDO的穩(wěn)定性和快速瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)PLL尤為關(guān)鍵。但是，無(wú)片外電容結(jié)構(gòu)的LDO具有更大設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。主要是因?yàn)樨?fù)載發(fā)生跳變時(shí)，LDO輸出的過(guò)沖電壓會(huì)顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出穩(wěn)定恢復(fù)時(shí)間較慢以及輸出過(guò)沖較大。同時(shí)，無(wú)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(huán)路穩(wěn)定性能。因此，如何提高無(wú)片外電容LDO的負(fù)載響應(yīng)與不同負(fù)載條件下的環(huán)路穩(wěn)定性成為L(zhǎng)DO研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

面對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開了研究和討論。文獻(xiàn)[2] 提出了一種低輸入電壓的快速瞬態(tài)響應(yīng)片上LDO，采用EA后級(jí)和大抽灌電流能力的STCB結(jié)構(gòu)，加入了高通耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低輸入電壓和全負(fù)載范圍下的快速瞬態(tài)響應(yīng)，但其性能改善效果并不顯著。文獻(xiàn)[3-4]采用增強(qiáng)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(huán)路穩(wěn)定性，但源極跟隨器的放電能力較弱，使得此LDO瞬態(tài)響應(yīng)能力較差。而本文設(shè)計(jì)的LDO結(jié)構(gòu)，使用交叉耦合差分輸入對(duì)作為第一級(jí)輸入，第二級(jí)采用推挽輸出的CLASS-AB運(yùn)放結(jié)構(gòu)作為EA誤差放大器，并疊加動(dòng)態(tài)偏置電路，調(diào)節(jié)EA內(nèi)部跟隨負(fù)載跳變時(shí)所需的偏置電流。在環(huán)路中，引入限幅電路大幅改善了LDO的瞬態(tài)響應(yīng)能力和過(guò)沖。通過(guò)調(diào)節(jié)EA內(nèi)部管子參數(shù)，將主極點(diǎn)設(shè)置在EA內(nèi)部，并借動(dòng)態(tài)偏置電路引入的左半平面零點(diǎn)，抵消內(nèi)部極點(diǎn)，增加LDO的環(huán)路帶寬，且無(wú)需要額外的彌勒補(bǔ)償，有效提高了LDO的瞬態(tài)響應(yīng)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(guó)賢1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035；2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

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