一种无片外电容的高稳定性LDO设计 002300

股票资讯  2021-03-23 14:06:15

考虑到LDO的应用没有分立器件,LDO的研究和设计没有片外电容和片外电阻。在没有外部电容的情况下,LDO还可以输出稳定的电压,为DC-DC转换器的内部电路模块供电。通过调整运算放大器的LDO结构和米勒补偿来调整运算放大器的零极点,同时,运算放大器中的电源隔离可以显著提高其电源抑制比。最后,用0.18微米华虹的BCD工艺进行了模拟。仿真结果表明,该结构稳定性高,能够输出稳定的电压。

中文报价格式:霍德玄,张国军。一种无片外电容的高稳定性LDO设计

如图1所示,带隙基准电压模块产生一个与温度无关的稳定电压V ref,并输出到电压比较器的正端,而电压比较器的负端连接到调节电阻网络,形成负反馈。电压比较器的输出电压连接到开关管M1的栅极。其目的是利用带隙基准电压V ref和反馈电压V fb来控制M1管的开和关,进而控制整个电路的开和关。

当V IN的电压值为变量时,对于M1管,当V IN的值在一定范围内满足饱和区M1管的电压条件时,结果与上述结果相同;如果电压值V IN迫使M1进入线性区域,其电流会随着V IN的增大而增大,V OUT会随着电流的增大而增大。此时V fb的值也会增大,负反馈网络会降低M1的栅压,使M1进入饱和区,V OUT和V fb的电压值保持不变。

2

特定电路设计

2.1带隙基准

带隙基准电压源主要利用两个双极晶体管的V BE(负温度系数)与V BE的差值δ V BE(正温度系数)的线性叠加,产生零温度系数的带隙基准电压

2.1.2正温度系数(PTAT)

如果两个双极晶体管在不相等的电流密度下工作,它们的基极-发射极电压之差与绝对温度成正比。

温度系数为正,与温度和集电极电流无关。基于上述原理,设计了一种带隙基准电路。

2.1.3带隙基准电压电路

如图2所示,当开关信号Switch1处于低电平时,电路启动。通过调整信号ADJUT 1 ~ 4控制调整MOS晶体管,进而控制整个支路的总电阻。当上电位V IN流经由两个三极管和调节电阻组成的带隙基准电压网络时,产生压降。本文在传统带隙基准结构的基础上增加了比较电压运算放大器,使整个模块形成负反馈结构,性能更加优化,稳定性大大提高。输出端口增加RC滤波网络,达到输出稳定电压的目的。

2.2电压比较器

电压比较器是LDO设计的核心部分,也是本文最重要的创新点。在不使用电容的情况下,传统运算放大器的稳定性非常差,相位裕量会在40°以下,甚至为负,产生较大的峰值,其输出电压V OUT在一定范围内会有规律的波动

如图3所示,电路主要分为三个部分:(1)电流偏置电路;(2)差分运算放大器电路;(3)带米勒电容的输出电路。

左I ref部分外接一个与M16相同尺寸的PMOS晶体管,短栅漏,形成电流镜,可以有效降低其二次效应的影响。电流源连接到外部金属氧化物半导体的漏极端以提供偏置电流I ref,偏置电流I ref通过M13-M14电流镜将电流传输到M12,然后通过M12-M5电流镜将电流提供给差分运算放大器电路模块。

中间差分运算放大器电路中,正极为V ref,负极为V fb。M3-M6和M4-M7将差分信号传输到M19的栅极。定性分析如下:参考电压是一个固定值。当参考电压远大于参考电压并接近上电位时,M1接通,M2断开,所有参考电流流入M1-M3电路,而右侧电路断开。输出电压V op接近上电位V IN的电压。从图1的结构可以看出,开关管关闭,LDO不起作用;当V fb逐渐降低到一定值时,M2就会打开,处于线性工作区,其漏极端电压会随着V fb的变化而变化,其电压会传递到M19的栅极端,决定M19是否导通,V op的电压由M18和M19的状态决定。随着伏光纤光栅继续降低,M1和M2都将处于饱和区。此时,电流均匀分布在两个支路上,电流与电压的关系基本固定。差分运算放大器电路的输出电压被传输到M19的栅极端子。

右边是整个电压比较器的输出部分。主要功能是提供稳定的预期增益,获得低噪声性能,不仅要稳定,还要有良好的性能。这些要求取决于放大器的极点和零点位置。为了降低功耗,本文放弃了增加偏置电流的方式,选择增加米勒电容来增加新的极点以提高稳定性

此外,本文提出的LDO结构还应用于片上系统。在整个SOC系统中,模拟信号和数字信号产生的噪声会相互影响,降低环路的稳定性

3.2 LDO模拟分析

基于上述原理,对整个LDO进行暂态仿真,将V IN的电压设置为从0到6 V缓慢上升10 ns。带隙基准电压V ref为1.26 V,偏置电流为5 μA,仿真结果如图6和图7所示。通过分析,整个LDO在启动过程中缓慢上升,V OUT的输出通过反馈回路控制,最终趋于稳定在15 μs,说明电路启动过程工作正常。6 V输入电压可稳定转换为1.8 V,稳定工作时静态电流为82.18 μA。通过对功率隔离管和米勒补偿电容的调整和设计,本文设计的LDO结构输出电压非常稳定,输出纹波为20 mV,误差范围在0.1%之间。

然后,对LDO的稳定性进行了仿真分析,并对整个电路从1 Hz到1 GHz进行了仿真。模拟结果如图8所示。根据仿真结果,相位裕度PM=64.280 6,幅度裕度GM=22.063 7。通过分析可以看出,LDO模块在波特图中没有峰值,说明电路具有良好的稳定性。

结论

介绍了一种基于BCD 0.18微米工艺的无片外电容LDO的设计,并在理论分析的基础上对传统电路结构进行了改进。零温度系数带隙基准电压由V BE(负温度系数)和两个双极晶体管的差值δ V BE(正温度系数)线性叠加产生,并利用负反馈电路和滤波电路提高输出电压的温漂系数。此外,在传统结构的基础上,设计了一种新的两级运算放大器结构用于电压比较。通过在运算放大器中增加一个特殊的开关管来隔离上电位,提高了LDO电源抑制比;同时,为了解决稳定性不足的问题,引入米勒电容增加了新的极点。米勒电容可以有效替代片外电容。这种结构不需要分立的电容元件,封装时可以减少一个引脚。

引用

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作者信息:

霍德玄,张国军


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