CN101369161A - 一种无需片外补偿电容的低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的无需片外补偿电容的低压差线性稳压器。它由两级误差比较器、一个功率PMOS管、两个用于频率补偿的电容和一级跨导反馈电路构成。所采用的频率补偿网络以及小尺寸功率管的设置使得本发明提出的低压差线性稳压器能够实现在全负载电流范围内稳定；同时，因为采用了两级误差放大器，该线性稳压器还具有极高的精度；因此，该线性稳压器非常适合在全芯片上集成(SoC)环境下使用，具有极好的应用前景。

Description

一种无需片外补偿电容的低压差线性稳压器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种新型的无需片外补偿电容的低压差线性稳压器。

背景技术

当今，无需片外补偿的低压差线性稳压器(LDO)正受到人们越来越多的关注[1-3]。对于这类LDO的研究主要是为了在片上系统(SoC)的应用。研究的主要目的是为了发展出很好的性能，使得能够与采用片外补偿电容的LDO具有可比性。这些性能包括：精度高(即：输入电压调节率和输出电流调节率小)，负载瞬间变化时输出电压变化幅度小，空载情况下静态电流小，以及输出电流能力强。

在此之前，文献[1]、[2]提出了基于三级放大器频率补偿技术的无需片外补偿电容的LDO。这一设置使得它们能够有很好的精度。但是，[1]和[2]都需要100uA的最小负载电流，使得它们在实际应用场合的吸引力降低。与此同时，[3]中提出的无需片外补偿电容的LDO虽然实现了全负载电流范围下的稳定性。但是因为使用的是两级结构，所能达到的精度很差。

在这样的背景下，发展出新型的无需片外补偿电容的低压差线性稳压器，使得既能在了全负载电流范围下稳定又能具有很高的精度，具有一定现实意义，符合技术发展潮流。

参考文献

[1]Leung，K N.，Mok，P K T.A capacitor-free CMOS low-dropout regulator withdamping-factor-control frequency compensation.IEEE J.Solid-state Circuits，2003，38(10)：1691.

[2]Lau S K，Mok，P K T，Leung K N.A Low-Dropout Regulator for SoC With Q-Reduction.IEEE J.Solid-state Circuits，2007，42(3)：658.

[3]Miliken R J，Silva-Martínez J，Sánchez-Sinencio，E.Full On-Chip CMOS Low-DropoutVoltage Regulator，IEEE Trans.Circuit and System I，2007，54(9)：1879.

发明内容

本发明的目的在于提出了一种无需片外补偿电容的低压差线性稳压器，以便更好的实现全片上集成，减少片外元器件的数量。同时，本发明还克服了现有的无需片上补偿电容的LDO技术的缺点，同时实现高精度以及全负载电流范围稳定。

为了实现上述目的，本发明的技术内容为：一种无需片外补偿电容的低压差线性稳压器，它由两级误差放大电路(1、2)、功率PMOS管(3)、电阻分压网络(4)、补偿电容(5、6)和跨导反馈电路(7)构成；所述两级误差放大电路(1、2)与功率PMOS管(3)依次串联；输入电压V_in与功率PMOS管(3)的源极相连，同时作为误差放大器(1、2)的供电电源；功率PMOS管(3)的漏极与电阻分压网络(4)的一端相连，电阻分压网络(4)的另一端接地，电阻分压网络(4)的分压输出点连接至第一级误差放大器(1)的一个输入端以构成负反馈；补偿电容(5)连接在功率PMOS管(3)的漏极与第一级误差放大器(1)的输出端之间；补偿电容(6)连接在功率PMOS管(3)的漏极与跨导反馈电路(7)的输入端之间；跨导反馈电路(7)的输出端接至第二级误差放大器(2)的输出端。

本发明低压差线性稳压器具有以下优点：①无需片外补偿电容，适合在片上系统高度集成的环境下使用；②在全负载电流范围内均具有稳定性；③具有很高的精度。

附图说明

图1是本发明无需片外补偿电容的低压差线性稳压器的框图；

图2是本发明无需片外补偿电容的低压差线性稳压器的晶体管级实现原理图；

图3是图1所示低压差线性稳压器将反馈环路打开后的示意图；

图4是小尺寸功率PMOS管增益随负载电流变化的示意图；

图5是LDO的传输函数中一对左半平面极点随负载电流变化的示意图。

标号说明：1、2表示框图形式的放大器级，3、10表示功率PMOS管，4、11表示电阻分压网络，5、6、12、13表示用于频率补偿的电容，7表示框图形式的跨导反馈级，8、9、14分别为1、2、7的晶体管级实现。

具体实施方式

下面结合附图对本发明无需片外补偿电容的低压差线性稳压器作进一步描述。

本发明所提出的无需片外补偿电容LDO的框图如图1所示，其中第一级放大器(1)和第二级放大器(2)构成了误差放大器；功率PMOS管(3)与两级误差放大器串接，其尺寸比一般情况下负载电流相同的功率管小得多；输入电压V_in与功率PMOS管(3)的源极相连，同时作为误差放大器(1、2)的供电电源；电阻分压网络(4)用来形成负反馈；另外还用到了两个补偿电容(5，6)，其中第一个补偿电容(5)跨接在第一级放大器(1)的输出端和功率PMOS管(3)的输出端之间，第二个补偿电容(6)通过一个跨导反馈级(7)接至第二级放大器(2)的输出端。图1所示LDO的晶体管级的实现在图2中表示。

为了分析本发明的频率响应特性，可将图1的环路打开，如图3所示。所得到的系统的传输函数为，

$L\left(s\right)=\frac{N\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{FA}}_{\mathrm{DC}}(1-s/{\mathrm{\ω}}_z)(1+s/{\mathrm{\ω}}_4)}{(1+\frac{s}{p_{-3\mathrm{dB}}})(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1})[1+s(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_3})+\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_4}]}---\left(1\right)$

其中

C_A＝(C₂+C_gd)(g_oL/g_mL)+C_gd+(g_m2+g_mf)R_aC_f (2)

$F=\frac{R_{f2}}{R_{f1}+R_{f2}}---\left(3\right)$

$A_{\mathrm{DC}}=\frac{g_{m1}{g}_{m2}{g}_{\mathrm{mL}}}{g_{o1}{g}_{o2}{g}_{\mathrm{oL}}}---\left(4\right)$

$p_{-3\mathrm{dB}}=\frac{g_{o1}{g}_{o2}{g}_{\mathrm{oL}}}{C_m{g}_{m2}{g}_{\mathrm{mL}}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{g_{m2}}{C_A}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{C_A{g}_{\mathrm{mL}}}{(C_2+C_{\mathrm{gd}})C_L}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ω}}_3=\frac{C_A{g}_{\mathrm{mL}}}{(C_2+C_{\mathrm{gd}})g_{\mathrm{oL}}{R}_a{C}_f}---\left(8\right)$

${\mathrm{\ω}}_4=\frac{1}{R_a{C}_f}---\left(9\right)$

${\mathrm{\ω}}_z=\frac{g_{\mathrm{mL}}}{C_{\mathrm{gd}}}---\left(10\right)$

因为LDO的输出电流的变化范围很大，所以需要分情况讨论在各种负载电流条件下的系统的稳定性。

a)在空载以及负载电流很小的情况下，功率输出管(3)的增益g_mL/g_oL>>1，ω₃>>ω₂。表达式(1)被简化为：

$L\left(s\right)=\frac{N\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{1+s/{\mathrm{\ω}}_4}{\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{UG}}}(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1})[1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_2}+\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_4}]}---\left(11\right)$

其中 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{UG}}=\frac{{\mathrm{Fg}}_{m1}}{C_m}$ 为LDO的环路增益。从式(11)中我们可以看出存在一个左半平面的极点ω₁，以及一对左半平面的共轭极点对：

$p_{\mathrm{2,3}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4}{2}\±j\frac{{\mathrm{\ω}}_4}{2}\sqrt{4\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_4}-1}---\left(12\right)$

以及一个左半平面的零点ω₄。环路的相位裕度可以表达为：

当环路的相位裕度能够满足式(13)的要求时，LDO是稳定的。

b)当存在中等程度的负载电流时，g_mL将变得很大。在这种情况下ω₂将远远大于ω₄。根据表达式(12)，在这种情况下左半平面的共轭极点对有可能会被右半平面的极点所取代，从而导致不稳定的反馈系统。因为本发明所使用的小尺寸的功率管(3)，这种情况被避免掉从而系统仍然是稳定的。原因为：当电流增加以后，功率管随之而进入线性区，它的增益g_mL/g_oL随着这种变化而显著的减小。这导致ω₃也随之而减小，于是：

$\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_3}---\left(14\right)$

在这种情况下我们仍然可以得到左半平面的一对共轭极点对：

$p_{\mathrm{2,3}.\mathrm{mod}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_4}{2}\±j\frac{{\mathrm{\ω}}_4}{2}\sqrt{4\frac{{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_4}-1}---\left(15\right)$

接着，中等程度负载电流条件下的相位裕度也需要根据式(13)来确定。

c)当负载电流很大时，g_mL/g_oL<1并且ω₃<<ω₂.在这一情况下式(1)简化为：

$L\left(s\right)=\frac{N\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{1+s/{\mathrm{\&omega;}}_4}{\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{UG}}}(1+\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_1})(1+\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_3})}---\left(16\right)$

在这一条件下相位裕度是很容易满足的。图4显示了功率管增益随电流变化的情况。图5是左半平面的共轭极点随电流的变化情况的示意。

综上所述，因为所采用的补偿网络以及小尺寸PMOS功率管的设置，本发明中的无需片外补偿电容的LDO具有全负载电流范围内均稳定；同时，因为采用了两级误差放大器加一级功率管的三级放大结构，LDO的环路增益很高，这样高精度也得到了保证。

Claims (1)

1.一种无需片外补偿电容的低压差线性稳压器，其特征在于：它由两级误差放大电路(1、2)、功率PMOS管(3)、电阻分压网络(4)、补偿电容(5、6)和跨导反馈电路(7)；所述两级误差放大电路(1、2)与功率PMOS管(3)依次串联；输入电压V_in与功率PMOS管(3)的源极相连，同时作为误差放大器(1、2)的供电电源；功率PMOS管(3)的漏极与电阻分压网络(4)的一端相连，电阻分压网络(4)的另一端接地，电阻分压网络(4)的分压输出点连接至第一级误差放大器(1)的一个输入端以构成负反馈；补偿电容(5)连接在功率PMOS管(3)的漏极与第一级误差放大器(1)的输出端之间；补偿电容(6)连接在功率PMOS管(3)的漏极与跨导反馈电路(7)的输入端之间；跨导反馈电路(7)的输出端接至第二级误差放大器(2)的输出端。

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