CN109164861A - 一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、串联调整管MNO以及第一电阻R1和第二电阻R2组成的电阻反馈网络，还包括连接在误差放大器输出端与串联调整管MNO栅端之间的缓冲器，连接在串联调整管MNO栅端与源端之间的负载瞬态响应增强电路，连接在误差放大器与负载瞬态响应增强电路之间的自适应补偿控制电路，以及提供工作电流的偏置电路。自适应零点补偿提高了稳压器的环路稳定性，NMOS串联调整管及负载瞬态响应增强电路增强了稳压器的负载瞬态响应，在无片外电容、不明显增加静态功耗的情况下，本发明获得了低压差线性稳压器负载瞬态响应性能的提升。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(LDO)因其结构简单、低功耗、输出纹波小、外围元件少等特点，在SoC设计中有着广泛的应用，为不同的功能模块供电。如图1所示，典型的低压差线性稳压器一般由基准电压电路、误差放大器、串联调整管MP0和电阻R1、R2组成的电阻反馈网络构成，其中，CL是输出负载电容，IL是输出负载电流。
随着半导体制造工艺的进步，数字集成电路的供电电压不断降低，对为其供电的LDO负载瞬态响应的要求相应提高。同时电路集成度不断提高，功耗增大，进一步恶化了LDO的负载瞬态响应。传统的LDO结构难以满足设计要求，特别是无外接电容的LDO，更需要提高LDO负载瞬态响应的技术。
所以，如何设计一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，成为我们当前要解决的问题。
发明内容
为此，本发明提出了一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、串联调整管MNO以及第一电阻R1和第二电阻R2组成的电阻反馈网络，还包括连接在所述误差放大器输出端与串联调整管MNO栅端之间的缓冲器，连接在所述串联调整管MNO栅端与源端之间的负载瞬态响应增强电路，连接在所述误差放大器与负载瞬态响应增强电路之间的自适应补偿控制电路，以及提供工作电流的偏置电路。
优选的，所述偏置电路包括电流源IB、NMOS管MN1、NMOS管MN2以及PMOS管MP0，所述电流源IB的一端连接电源，其另一端连接所述NMOS管MN1漏端，所述NMOS管MN1源端接地，其栅端与漏端相连，所述NMOS管MN2栅端与所述NMOS管MN1栅端连接，其源端接地，漏端与所述PMOS管MP0漏端连接，所述PMOS管MP0源端接电源，其栅端与漏端相连。
优选的，所述误差放大器的同相输入端连接基准电压源，其反相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2的共同端，所述串联调整管MNO的漏端连接供电电源，其源端连接稳压器输出端VOUT和第一电阻R1的一端，所述第二电阻R2的一端接地
优选的，所述误差放大器电路包括PMOS管MP1、栅端作为反相输入端的PMOS管MP2、栅端作为正相输入端的PMOS管MP3，还包括PMOS管MP4、NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6和电容Cc，所述PMOS管MP1源端接电源，栅端与PMOS管MP0栅端连接，漏端连接PMOS管MP2源端和PMOS管MP3源端，PMOS管MP2的漏端连接NMOS管MN3的漏端，NMOS管MN3源端接地，其栅端与漏端相连，且与NMOS管MN4栅端连接，NMOS管MN4源端接地，其漏端与PMOS管MP3漏端连接，PMOS管MP4源端接电源，其栅端连接PMOS管MP0栅端，其漏端与NMOS管MN5漏端连接，NMOS管MN5源端接地，其栅端与NMOS管MN6漏端共同连接NMOS管MN4漏端，所述电容Cc的两端分别与NMOS管MN5漏端和NMOS管MN6源端连接，NMOS管MN6栅端连接自适应补偿控制电路。
优选的，所述缓冲器电路包括栅端连接PMOS管MP0栅端，源端连接电源的PMOS管MP5，和栅端连接NMOS管MN5和PMOS管MP4共同端，漏端接地的PMOS管MP6，且所述PMOS管MP5漏端和PMOS管MP6源端共同连接到串联调整管MNO栅端。
优选的，所述自适应补偿控制电路包括PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、NMOS管MN7、NMOS管MN8、NMOS管MN9、NMOS管MN10，所述PMOS管MP7源端接电源，栅端接PMOS管MP8栅端，漏端接NMOS管MN7漏端，且PMOS管MP7栅端与漏端相连，NMOS管MN7源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP8源端接电源，漏端接NMOS管MN10漏端，NMOS管MN10栅端与漏端相连且与NMOS管MN6栅端连接，源端连接NMOS管MN8漏端，NMOS管MN8源端接地，栅端连接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP9源端接电源，漏端接NMOS管MN9漏端，栅端连接负载瞬态响应增强电路，NMOS管MN9源端接地，栅端与漏端相连且与NMOS管MN8漏端连接。
优选的，所述NMOS管MN6的栅端与所述NMOS管MN10的栅端及漏端连接。
优选的，所述负载瞬态响应增强电路包括PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14，所述PMOS管MP10源端接电源，漏端接串联调整管MNO栅端，栅端接PMOS管MP11栅端，PMOS管MP11源端接电源，漏端与栅端相连且与自适应补偿控制电路连接，PMOS管MP11漏端还与NMOS管MN11漏端连接，NMOS管MN11源端接地，栅端接NMOS管MN12栅端，NMOS管MN12源端接地，栅端与漏端相连，漏端连接PMOS管MP12漏端，PMOS管MP12源端与其衬底连接，且一起连接到NMOS管MN14源端，NMOS管MN14漏端接电源，栅端连接串联调整管MNO栅端，PMOS管MP12栅端与PMOS管MP13栅端连接，PMOS管MP13源端与其衬底共同连接到稳压器输出端VOUT，其漏端与栅端相连且与NMOS管MN13的漏端连接，NMOS管MN13源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端。
优选的，所述PMOS管MP9的栅端与所述PMOS管MP11栅端及漏端连接。
在本发明中，一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、串联调整管MNO以及第一电阻R1和第二电阻R2组成的电阻反馈网络，还包括连接在误差放大器输出端与串联调整管MNO栅端之间的缓冲器，连接在串联调整管MNO栅端与源端之间的负载瞬态响应增强电路，连接在误差放大器与负载瞬态响应增强电路之间的自适应补偿控制电路，以及提供工作电流的偏置电路。与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：自适应零点补偿提高了稳压器的环路稳定性，NMOS串联调整管及负载瞬态响应增强电路增强了稳压器的负载瞬态响应，在无片外电容、不明显增加静态功耗的情况下，本发明获得了低压差线性稳压器负载瞬态响应性能的提升。
附图说明
图1为一种典型的低压差线性稳压器原理图；
图2为本发明的低压差线性稳压器硬件连接示意图；
图3为本发明的实施例电路示意图；
图4为本发明实施例的负载瞬态响应示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中显示。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
本发明提供一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
如图1所示，发明人研究了一种典型的低压差线性稳压器，其包括基准电压电路、误差放大器、串联调整管MP0和电阻R1、R2组成的电阻反馈网络构成，其中，CL是输出负载电容，IL是输出负载电流，误差放大器的反向输入端连接基准电压电路，其正向输入端连接电阻R1、R2的共同端，所述串联调整管MPO的源端连接供电电源，其漏端连接稳压器输出端VOUT和电阻R1，电阻R2的一端接地。
具体而言，反馈电阻网络取样输出电压，加在误差放大器正相输入端，与加在负相输入端的基准电压VREF相比较，两者的差值经误差放大器放大后控制调整管MP0的栅极电压，从而稳定输出电压；当负载电流增大时，输出电压降低，取样电压VFB降低，误差放大器输出电压减小，调整管MP0的栅源电压增大，输出电流增大，输出电压升高至标称值；同理，当负载电流减小时，输出电压升高，取样电压VFB升高，误差放大器输出电压增大，调整管MP0的栅源电压减小，输出电流减小，输出电压降低至标称值。输出电压标称值如下：
VOUT＝(1+R1/R2)VREF
低压差线性稳压器负载电流突变引起输出电压的变化，称为LDO的负载瞬态响应。输出电压随负载电流变化可表达为：
ΔVtr＝IO-max*Δt/CO，其中ΔVtr是输出电压的变化值，IO-max是最大指定负载电流值，Δt是LDO反馈环路的响应时间，CO是输出电容值。
上述LDO通过外接μF级的输出电容可以改善负载瞬态响应，但这需要增加一个芯片管脚，增加了应用的复杂性和成本。也可以通过增大误差放大器的静态电流来减小反馈环路的反应时间，从而提高LDO的负载瞬态响应性能，但这增加了LDO的静态功耗。
基于上述分析，如图2所示，本发明提供一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，该种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、串联调整管MNO以及第一电阻R1和第二电阻R2组成的电阻反馈网络，还包括连接在所述误差放大器输出端与串联调整管MNO栅端之间的缓冲器，连接在所述串联调整管MNO栅端与源端之间的负载瞬态响应增强电路，连接在所述误差放大器与负载瞬态响应增强电路之间的自适应补偿控制电路，以及提供工作电流的偏置电路。
如图3所示，在本发明一个实施例的电路中，所述偏置电路包括偏置电流源IB、NMOS管MN1、NMOS管MN2以及PMOS管MP0，所述偏置电流源IB的一端连接电源，其另一端连接NMOS管MN1漏端，所述NMOS管MN1源端接地，其栅端与漏端相连，所述NMOS管MN2栅端与所述NMOS管MN1栅端连接，其源端接地，漏端与所述PMOS管MP0漏端连接，所述PMOS管MP0源端接电源，其栅端与漏端相连。
在本发明的一个实施例中，所述误差放大器的同相输入端连接基准电压源，其反相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2的共同端，所述串联调整管MNO的漏端连接供电电源，其源端连接稳压器输出端VOUT和第一电阻R1的一端(非所述共同端)，所述第二电阻R2的一端(非所述共同端)接地。
进一步的，所述误差放大器电路包括PMOS管MP1、栅端作为反相输入端的PMOS管MP2，栅端作为正相输入端的PMOS管MP3，还包括PMOS管MP4、NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6和电容Cc，其连接方式如下：
所述PMOS管MP1源端接电源，栅端与PMOS管MP0栅端连接，漏端连接PMOS管MP2源端和PMOS管MP3源端，PMOS管MP2的漏端连接NMOS管MN3的漏端，NMOS管MN3源端接地，其栅端与漏端相连，且与NMOS管MN4栅端连接，NMOS管MN4源端接地，其漏端与PMOS管MP3漏端连接，PMOS管MP4源端接电源，其栅端连接PMOS管MP0栅端，其漏端与NMOS管MN5漏端连接，NMOS管MN5源端接地，其栅端与NMOS管MN6漏端共同连接NMOS管MN4漏端，所述电容Cc的两端分别与NMOS管MN5漏端和NMOS管MN6源端，NMOS管MN6栅端连接自适应补偿控制电路。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲器电路包括栅端连接PMOS管MP0栅端，源端连接电源的PMOS管MP5，和栅端连接NMOS管MN5和PMOS管MP4共同端，漏端接地的PMOS管MP6，且所述PMOS管MP5漏端和PMOS管MP6源端共同连接到串联调整管MNO栅端。
在本发明的一个实施例中，所述自适应补偿控制电路包括PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、NMOS管MN7、NMOS管MN8、NMOS管MN9、NMOS管MN10，其连接方式如下：
所述PMOS管MP7源端接电源，栅端接PMOS管MP8栅端，漏端接NMOS管MN7漏端，且PMOS管MP7栅端与漏端相连，NMOS管MN7源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP8源端接电源，漏端接NMOS管MN10漏端，NMOS管MN10栅端与漏端相连且与NMOS管MN6栅端连接，源端连接NMOS管MN8漏端，NMOS管MN8源端接地，栅端连接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP9源端接电源，漏端接NMOS管MN9漏端，栅端连接负载瞬态响应增强电路，NMOS管MN9源端接地，栅端与漏端相连且与NMOS管MN8漏端连接。
进一步的，所述NMOS管MN6的栅端与所述NMOS管MN10的栅端及漏端连接。
在本发明的一个实施例中，所述负载瞬态响应增强电路包括PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14，其连接方式如下：
所述PMOS管MP10源端接电源，漏端接串联调整管MNO栅端，栅端接PMOS管MP11栅端，PMOS管MP11源端接电源，漏端与栅端相连且与自适应补偿控制电路连接，PMOS管MP11漏端还与NMOS管MN11漏端连接，NMOS管MN11源端接地，栅端接NMOS管MN12栅端，NMOS管MN12源端接地，栅端与漏端相连，漏端连接PMOS管MP12漏端，PMOS管MP12源端与其衬底连接，且一起连接到NMOS管MN14源端，NMOS管MN14漏端接电源，栅端连接串联调整管MNO栅端，PMOS管MP12栅端与PMOS管MP13栅端连接，PMOS管MP13源端与其衬底共同连接到稳压器输出端VOUT，其漏端与栅端相连且与NMOS管MN13的漏端连接，NMOS管MN13源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端。
进一步的，所述PMOS管MP9的栅端与PMOS管MP11栅端及漏端连接。
本发明负载瞬态响应增强原理：当负载电流快速减小时，输出电压增大，串联调整管MN0的栅源电压减小，流过MN0的电流减小，抑制输出电压增大，同时负载瞬态响应增强电路中MP13的栅极电压随输出电压升高，MP12的栅源电压减小，流过MP12和MN12的电流减小，MN11和MN12、MP10和MP11构成电流镜，因此流过MP10的电流减小，引起MN0栅极VGN的电压下降，MN0的栅源电压减小，流过MN0的电流减小，进一步抑制输出电压增大。
当负载电流快速增大时，输出电压减小，串联调整管MN0的栅源电压增大，流过MN0的电流增大，抑制输出电压减小，同时负载瞬态响应增强电路中MP13的栅极电压随输出电压减小，MP12的栅极电压减小，流过MP12和MN12的电流增大，流过MP10的电流增大，引起MN0栅极VGN的电压升高，MN0的栅源电压增大，流过MN0的电流增加，进一步抑制输出电压减小。
本发明自适应零点补偿原理：为了让LDO在整个电流负载范围内均保持环路稳定，需要使用自适应零点补偿。缓冲器的使用一方面提升了LDO主环路的瞬态响应速度，一方面使串联调整管MN0栅极处的极点位于很高的频率，增加了环路稳定性。带RC密勒补偿的两级误差放大器主极点位于第一级输出，次极点可被分离至较高的频率。当负载电流减小时，MN0跨导减小，输出端阻抗增大，输出端极点移向原点，流过MN14的电流减小，经MN11和MN12、MP9和MP11组成的电流镜，流过MP9的电流减小，流过MN9的电流也减小，MN9的栅源电压减小，VBR＝VGSMN9+VGSMN10减小，MN6的栅源电压减小，MN6的等效导通阻抗增大，RC弥勒补偿引入的零点向原点移动，跟随输出极点的变化，达到补偿输出极点的目的。
图4为本发明实施例的负载瞬态响应示意图。如图4所示，图4中横坐标表示时间，上方纵坐标表示稳压器输出负载电流，下方纵坐标表示稳压器输出电压。负载电容为100nF时，负载电流10nS由100μA跳变到100mA，输出电压下冲50mV；负载电流10nS由100mA跳变到100μA，输出电压过冲29mV。由此可见，本发明实施例提供的快速瞬态响应的低压差线性稳压器具有较小的输出下冲和过冲。
可以理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等价变换，未经创造性的等效替换都应当属于本发明所揭露的范围。
Claims (9)
1.一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：包括基准电压源、误差放大器、串联调整管MNO以及第一电阻R1和第二电阻R2组成的电阻反馈网络，还包括连接在所述误差放大器输出端与串联调整管MNO栅端之间的缓冲器，连接在所述串联调整管MNO栅端与源端之间的负载瞬态响应增强电路，连接在所述误差放大器与负载瞬态响应增强电路之间的自适应补偿控制电路，以及提供工作电流的偏置电路。
2.根据权利要求1所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述偏置电路包括电流源IB、NMOS管MN1、NMOS管MN2以及PMOS管MP0，所述电流源IB的一端连接电源，其另一端连接所述NMOS管MN1漏端，所述NMOS管MN1源端接地，其栅端与漏端相连，所述NMOS管MN2栅端与所述NMOS管MN1栅端连接，其源端接地，漏端与所述PMOS管MP0漏端连接，所述PMOS管MP0源端接电源，其栅端与漏端相连。
3.根据权利要求1所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述误差放大器的同相输入端连接基准电压源，其反相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2的共同端，所述串联调整管MNO的漏端连接供电电源，其源端连接稳压器输出端VOUT和第一电阻R1的一端，所述第二电阻R2的一端接地。
4.根据权利要求1或3所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述误差放大器电路包括PMOS管MP1、栅端作为反相输入端的PMOS管MP2、栅端作为正相输入端的PMOS管MP3，还包括PMOS管MP4、NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6和电容Cc，所述PMOS管MP1源端接电源，栅端与PMOS管MP0栅端连接，漏端连接PMOS管MP2源端和PMOS管MP3源端，PMOS管MP2的漏端连接NMOS管MN3的漏端，NMOS管MN3源端接地，其栅端与漏端相连，且与NMOS管MN4栅端连接，NMOS管MN4源端接地，其漏端与PMOS管MP3漏端连接，PMOS管MP4源端接电源，其栅端连接PMOS管MP0栅端，其漏端与NMOS管MN5漏端连接，NMOS管MN5源端接地，其栅端与NMOS管MN6漏端共同连接NMOS管MN4漏端，所述电容Cc的两端分别与NMOS管MN5漏端和NMOS管MN6源端连接，NMOS管MN6栅端连接自适应补偿控制电路。
5.根据权利要求4所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述缓冲器电路包括栅端连接PMOS管MP0栅端，源端连接电源的PMOS管MP5，和栅端连接NMOS管MN5和PMOS管MP4共同端，漏端接地的PMOS管MP6，且所述PMOS管MP5漏端和PMOS管MP6源端共同连接到串联调整管MNO栅端。
6.根据权利要求4所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述自适应补偿控制电路包括PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、NMOS管MN7、NMOS管MN8、NMOS管MN9、NMOS管MN10，所述PMOS管MP7源端接电源，栅端接PMOS管MP8栅端，漏端接NMOS管MN7漏端，且PMOS管MP7栅端与漏端相连，NMOS管MN7源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP8源端接电源，漏端接NMOS管MN10漏端，NMOS管MN10栅端与漏端相连且与NMOS管MN6栅端连接，源端连接NMOS管MN8漏端，NMOS管MN8源端接地，栅端连接NMOS管MN1栅端，PMOS管MP9源端接电源，漏端接NMOS管MN9漏端，栅端连接负载瞬态响应增强电路，NMOS管MN9源端接地，栅端与漏端相连且与NMOS管MN8漏端连接。
7.根据权利要求6所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述NMOS管MN6的栅端与所述NMOS管MN10的栅端及漏端连接。
8.根据权利要求6所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述负载瞬态响应增强电路包括PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14，所述PMOS管MP10源端接电源，漏端接串联调整管MNO栅端，栅端接PMOS管MP11栅端，PMOS管MP11源端接电源，漏端与栅端相连且与自适应补偿控制电路连接，PMOS管MP11漏端还与NMOS管MN11漏端连接，NMOS管MN11源端接地，栅端接NMOS管MN12栅端，NMOS管MN12源端接地，栅端与漏端相连，漏端连接PMOS管MP12漏端，PMOS管MP12源端与其衬底连接，且一起连接到NMOS管MN14源端，NMOS管MN14漏端接电源，栅端连接串联调整管MNO栅端，PMOS管MP12栅端与PMOS管MP13栅端连接，PMOS管MP13源端与其衬底共同连接到稳压器输出端VOUT，其漏端与栅端相连且与NMOS管MN13的漏端连接，NMOS管MN13源端接地，栅端接NMOS管MN1栅端。
9.根据权利要求8所述的一种快速瞬态响应的低压差线性稳压器，其特征在于：所述PMOS管MP9的栅端与所述PMOS管MP11栅端及漏端连接。
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