CN103383580B - 自适应低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

提供了一种低压差线性稳压器(LDO)，包括误差放大器和LDO输出级电路，误差放大器将LDO输出级电路产生的稳压器输出信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制LDO输出级电路，其特征在于，还包括：源跟随器电路，位于误差放大器输出端与LDO输出级电路控制端之间，接收误差放大器输出的控制信号，并且源跟随器电路的输出端输出的输出信号用于控制LDO输出级电路。

Description

自适应低压差线性稳压器

技术领域

本申请涉及一种低压差线性稳压器(LDO)，更具体地说，涉及一种适用于低电压情况下的自适应低压差线性稳压器。

背景技术

图1是示出现有技术的低压差线性稳压器(LDO)的示图。如图1所示，现有技术的低压差线性稳压器包括误差放大器110和LDO输出级电路120。

图2是示出图1中误差放大器110的示图。如图2所示，误差放大器110由若干PMOS管和NMOS管构成，误差放大器110的输出端驱动PMOS管M1。LDO输出级电路120包括PMOS管M1、电阻R₁和R₂、稳压电容C_L和负载电阻R_L。图1所示的误差放大器110将LDO输出级电路120产生的稳压器输出信号VOUT与参考电压VREF进行比较，并输出控制信号VOP用于控制LDO输出级电路120。低压差线性稳压器的输出通过电阻R1和R2分压后反馈到误差放大器的正向输入端。在图1中，误差放大器110、PMOS管M1、电阻R₁和R₂构成负反馈网络。

通常，如图2所示的误差放大器110的增益大约为40dB，LDO输出级电路120的增益大约20dB。上述负反馈网络的开环增益为60dB左右，因此可以认为误差放大器正向、反向输入端的值相等，得到低压差线性稳压器的输出电压VOUT为：

$\mathrm{VOUT}=\mathrm{VREF}\·\frac{R1+R2}{R1}$

然而，图1所示的现有技术的低压差线性稳压器存在以下两个基本技术问题：

第一，稳定性问题。图1所示的负反馈网络存在两个主要的极点，一个位于低压差线性稳压器的输出端，其值为其中，R_OUT为低压差线性稳压器的输出电阻，C_L为低压差线性稳压器的稳压电容。通常，C_L为片外电容，值比较大，所以ω_p1为主极点。另一个极点位于误差放大器110的输出端，其值为其中，R_OP为误差放大器110的输出电阻，C_M1为PMOS管M1的寄生电容(该寄生电容可包括PMOS管M1的栅源电容C_GS以及栅漏电容C_GD等)。随着VDD的降低，如果低压差线性稳压器需要驱动比较大的电流，则PMOS管M1的尺寸就会比较大，同时寄生电容C_M1也会比较大。此时，极点ω_p1和ω_p2的位置就会比较靠近并且都比较显著，容易使电路出现不稳定，甚至产生振荡。图3是示出现有技术的低压差线性稳压器(LDO)的负反馈网络的极点的示图。

第二，最低工作电压限制问题。如果误差放大器110需要正常工作(即，保持一定的增益)，则其所有MOS管必须处于饱和状态。在图1中，误差放大器110的输出端的电压VOP为VDD-|V_GS1|，其中|V_GS1|为PMOS管M1的栅源电压，误差放大器需要正常工作，必须保证VDD-|V_GS1|＞|V_OV8|，其中，|V_OV8|为误差放大器110中NMOS管M8的过驱动电压。从上式中可以得出，低压差线性稳压器的最低工作电压为VDD_MIN＝|V_OV8|+|V_GS1|。随着VDD的降低，特别是低压差线性稳压器满负载工作的时候(此时，|V_GS1|是一个比较大的值)，NMOS管M8就会处于线性区，导致误差放大器110不能正常工作，负反馈网络的开环增益降低，低压差线性稳压器的输出电压VOUT也会随之降低，致使低压差线性稳压器功能出错。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有稳定性的低压差线性稳压器，并进一步提供一种具有稳定性并能够克服最低工作电压限制问题的低压差线性稳压器。

提供了一种低压差线性稳压器(LDO)，包括误差放大器和LDO输出级电路，误差放大器将LDO输出级电路产生的稳压器输出信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制LDO输出级电路，其特征在于，还可包括：源跟随器电路，位于误差放大器输出端与LDO输出级电路控制端之间，接收误差放大器输出的控制信号，并且源跟随器电路的输出端输出的输出信号用于控制LDO输出级电路。

源跟随器电路可包括第一NMOS管和第二NMOS管，第一NMOS管的栅极可接收误差放大器输出的控制信号，第一NMOS管的源极可连接到第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极可接收偏置信号并提供给第一NMOS管，第一NMOS管的源极可为源跟随器电路的输出端。

第一NMOS管可以是零阈值NMOS管(ZVT NMOS)。

第一NMOS管可具有大宽长比，以减小第一NMOS管的过驱动电压。

所述LDO还可包括：自适应电路，包括第一PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，其中，第一PMOS管的栅极连接到源跟随器电路的输出端，第三NMOS管的栅极和漏极互相连接并同时连接至第一PMOS管的漏极和第四NMOS管的栅极，第四NMOS管的漏极连接到源跟随器电路的输出端。

自适应电路和源跟随器电路可构成自适应源跟随器。

第一PMOS管的宽长比可小于LDO输出级电路中的PMOS管的宽长比，其中，LDO输出级电路中的PMOS管可受控于源跟随器电路的输出信号。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出现有技术的低压差线性稳压器的示图；

图2是示出图1中误差放大器的示图；

图3是示出现有技术的低压差线性稳压器的负反馈网络的极点的示图；

图4是示出根据本发明示例性实施例的低压差线性稳压器的示图；

图5是示出图4所示的LDO的负反馈网络的极点的示图；

图6是示出根据本发明示例性实施例的自适应低压差线性稳压器的示图。

具体实施方式

现在，详细描述本发明的示例性实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。

图4是示出根据本发明示例性实施例的低压差线性稳压器(LDO)的示图.

如图4所示，根据本发明示例性实施例的低压差线性稳压器包括误差放大器410、源跟随器(Source follower)420和LDO输出级电路430。在图4中，误差放大器410、NMOS管M11、PMOS管M1、电阻R₁和R₂构成负反馈网络。误差放大器410和LDO输出级电路430分别与图1中示出的误差放大器110和LDO输出级电路120的功能和结构相同，在此不再赘述。

通过引入包括NMOS管M11和M15的源跟随器电路420，LDO的极点位置发生了变化。具体来说，由于NMOS管M11的尺寸相对较小，故误差放大器410输出端的极点会变大，远离负反馈网络的单位增益带宽，并且对稳定性的影响可以忽略不计。此时，对LDO稳定性影响比较大的两个极点分别位于源跟随器420的输出端和LDO的输出端。位于源跟随器420的输出端的极点的值为其中，C_M1为PMOS管M1的寄生电容(该寄生电容可包括PMOS管M1的栅源电容C_GS以及栅漏电容C_GD等)，gm₁₁为NMOS管M11的跨导。与图1所示的负反馈网络的极点相比，由于远远小于误差放大器的输出电阻R_OP，故极点ω_p2向远离原点的方向移动。另一个极点ω_p1的值没有发生变化，仍为可以看出，通过使用源跟随器电路420，LDO的负反馈网络的两个主要极点ω_p1和ω_p2的位置得到了分离，从而解决了该电路稳定性的问题。图5是示出图4所示的LDO的负反馈网络的极点的示图。

然而，随着源跟随器电路420的引入，电路会出现另外一个问题。当LDO空负载运行时，PMOS管M1接近关断，|V_GS1|＜|V_th1|，其中，|V_GS1|和|V_th1|分别为PMOS管M1的栅源电压和阈值电压。此时，误差放大器410的输出电压为VDD-|V_GS1|+|V_GS11|，其中，|V_GS11|为NMOS管M11的栅源电压，VDD为电源电压。然而，由于NMOS管M11正常导通，故|V_GS11|＞|V_GS1|，致使误差放大器410的输出电压大于电源电压VDD。结果，误差放大器410中的PMOS管M10进入线性区，使误差放大器410的增益降低，从而导致LDO的输出值降低，工作错误。为此，可将NMOS管M11替换为零阈值NMOS管(ZVT NMOS)，其阈值电压为零。此外，可适当增大M11的宽长比，以减小M11的过驱动电压(Vov11)，使|V_GS11|≈0，因为|V_GS11|＝V_th11+Vov11。因此，避免了LDO空载状态下，由于PMOS管M10进入线性区而引起的增益降低的情况。

图6是示出根据本发明示例性实施例的自适应低压差线性稳压器(LDO)的示图。

如图6所示，根据本发明示例性实施例的自适应低压差线性稳压器包括误差放大器610、自适应源跟随器620和LDO输出级电路630，自适应源跟随器620包括源跟随器621和自适应电路622。在图6中，误差放大器610、NMOS管M11、PMOS管M14、PMOS管M1、电阻R₁和R₂构成负反馈网络。误差放大器610和LDO输出级电路630分别与图1中示出的误差放大器110和LDO输出级电路120的功能和结构相同，源跟随器621与图4中示出的源跟随器420的功能和结构相同，在此不再赘述。

根据本发明的当前示例性实施例，通过引入自适应电路622能够进一步解决误差放大器低工作电压的限制的问题。自适应电路622包括NMOS管M12、M13和PMOS管M14，其中，NMOS管M12、M13构成镜像电流源。PMOS管M14的宽长比可小于驱动管M1的宽长比，例如，PMOS管M14的宽长比与驱动管M1的宽长比的比例可以为1∶50，当LDO空负载运行时，流经PMOS管M14的电流几乎为零，不会产生额外的功耗。诸如，当LDO驱动50mA的电流的时候，流经PMOS管M14的电流为1mA，该电流经NMOS管M13和M12镜像到NMOS管M11中，增加了NMOS管M11的栅源电压|V_GS11|，此时，误差放大器610的输出端电压为VDD-|V_GS1|+|V_GS11|＞|V_OV8|，其中，|V_OV8|为误差放大器610中NMOS管M8的过驱动电压。与图1中所示的LDO相比，即使电源电压VDD进一步降低，误差放大器610的输出级的NMOS管M8也不会进入线性区，保证了电路的正常工作。

也就是说，由于自适应源跟随器620采用了自适应电路622，其电流可随着PMOS管M1的电流变化而变化，即，先通过PMOS管M14将PMOS管M1中的电流缩小镜像，然后再通过NMOS管M12、NMOS管M13将PMOS管M14的电流等比例地镜像到NMOS管M11中。PMOS管M14和PMOS管M1的尺寸比例可以由本领域技术人员根据实际需要而确定。

由于自适应源跟随器620采用了自适应电路622，可以看到LDO出现了两个环路，一个是由误差放大器610、自适应源跟随器620和LDO输出级电路630构成的负反馈网络，开环增益为A_OP·gm₁·R_OUT，其中，A_OP为误差放大器的增益，gm₁为驱动管M1的跨导，R_OUT为LDO的输出电阻。另一个是由NMOS管M11、M12、M13和PMOS管M14构成的正反馈网络，开环增益为其中，gm₁₁为NMOS管M11的跨导，gm₁₂为NMOS管M12的跨导，gm₁₃为NMOS管M13的跨导，gm₁₄为PMOS管M14的跨导。可以看出所以自适应电路622的引入不会对原来的负反馈网络造成影响。

此外，该实施例中对LDO稳定性影响比较大的两个极点分别位于自适应源跟随器620的输出端和LDO的输出端。其中，位于跟随器的输出端的极点的值为C_M1和C_M14分别为PMOS管M1和M14的寄生电容，gm₁₁为NMOS管M11的跨导。由于C_M14＜＜C_M1，故可以得到同样与图1所示的负反馈网络的极点相比，由于远远小于误差放大器的输出电阻R_OP，故极点ω_p2向远离原点的方向移动。另一个极点ω_p1的值没有发生变化，仍为可以看出，该实施例同样解决了该电路稳定性的问题。

根据本发明的示例性实施例，在低压差线性稳压器的误差放大器输出端和PMOS驱动管的栅极之间，引入了源跟随器，从而改善电路的稳定性；通过引入包括自适应电路和源跟随器的自适应源跟随器，其电流可以根据LDO的负载变化而变化，解决了LDO满负载情况下最小工作电压限制的问题，并可同时改善电路的稳定性；由于采用零阈值NMOS管作为源跟随器或自适应源跟随器的输入管，避免了LDO空载情况下误差放大器增益减小的问题；此外，当LDO空载时，NMOS管M11的偏置电流由NMOS管M15提供，解决了空载时源跟随器偏置电流为零的问题，有利于提高空载时LDO环路的稳定性。

Claims (6)

1.一种低压差线性稳压器(LDO)，包括误差放大器和LDO输出级电路，误差放大器将LDO输出级电路产生的稳压器输出信号与参考电压进行比较，并输出控制信号用于控制LDO输出级电路，其特征在于，还包括：

源跟随器电路，位于误差放大器输出端与LDO输出级电路控制端之间，接收误差放大器输出的控制信号，并且源跟随器电路的输出端输出的输出信号用于控制LDO输出级电路；

自适应电路，包括第一PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，其中，第一PMOS管的栅极连接到源跟随器电路的输出端，第一PMOS管的源极连接到电源电压，第三NMOS管的栅极和漏极互相连接并同时连接至第一PMOS管的漏极和第四NMOS管的栅极，第四NMOS管的漏极连接到源跟随器电路的输出端，第三NMOS管的源极连接到第四NMOS管的源极。

2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，源跟随器电路包括第一NMOS管和第二NMOS管，第一NMOS管的栅极接收误差放大器输出的控制信号，第一NMOS管的源极连接到第二NMOS管的漏极，第一NMOS管的漏极连接到第一PMOS管的源极，第二NMOS管的栅极接收偏置信号并提供给第一NMOS管，第一NMOS管的源极为源跟随器电路的输出端，第二NOMS管的源极连接到第四NMOS管的源极。

3.如权利要求2所述的低压差线性稳压器，其中，第一NMOS管是零阈值NMOS管(ZVT NMOS)。

4.如权利要求3所述的低压差线性稳压器，其中，第一NMOS管具有大宽长比，以减小第一NMOS管的过驱动电压。

5.如权利要求1-4之一所述的低压差线性稳压器，其中，自适应电路和源跟随器电路构成自适应源跟随器。

6.如权利要求1-4之一所述的低压差线性稳压器，其中，第一PMOS管的宽长比小于LDO输出级电路中的PMOS管的宽长比，

其中，LDO输出级电路中的PMOS管受控于源跟随器电路的输出信号。