CN101957628B - 低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路 - Google Patents
低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路，跨导放大器输出端通过电压缓冲器与电压调整管相连接，电流检测电路连接电压缓冲器与电压调整管公共端，另一端连接可变电阻电路，该可变电阻电路连接跨导放大器补偿端。本发明当负载较大电流较小时，被电流检测电路检出，此时作用于可变电阻电路使其电阻增大，零点位置也相对较低；反之当负载减小电流增大时，可变电阻电路阻值减小，零点位置较高。因此可以使所产生的自适应零点跟踪极点的变化而变化，起到补偿作用，有效保证系统工作在稳定状态。本发明成功解决了低压差线性稳压器稳定性问题，从而使得负载电容等效串联电阻对系统稳定性，瞬态响应，纹波的影响并非至关重要。
Description
【技术领域】
本发明属于大规模模拟集成电路中的低压差线性稳压器，特别涉及这种低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路。
【背景技术】
现有技术中典型的低压差线性稳压器一般由电压基准Vref，跨导放大器OTA，缓冲器BUFFER，分压电阻R1和R2构成的反馈网络，以及电压调整管PMOS组成，参见图1。其中电容CL是输出负载电容，优化瞬态响应，电阻ESR为电容CL寄生的等效串联电阻。
图1电路中，负载电容CL与从结点C看到的电阻形成主极点，结点A处的寄生电容和跨导放大器OTA输出电阻形成第二极点。由于电压调整管PMOS需为负载提供很大的电流，因此电压调整管PMOS尺寸很大，但是由于缓冲器一般使用源跟随器，输出电阻都很小，所以在结点B产生的极点远大于单位增益频率。由于结点A和结点C为两个较小的极点，因此容易产生180度的相移，使系统不稳定。
在图1的典型结构中，主极点位置与结点C电阻和输出负载电容CL有关。负载电阻RL在不同的应用中阻值有很大不同，所以主极点的位置也在很大范围内发生变化。为了使系统趋向于稳定，传统的方法是利用输出负载电容CL和其等效串联电阻ESR形成零点来补偿。
但是，对于不同的负载电阻RL，等效串联电阻ESR的最大和最小值都有限制。通常，需要昂贵而庞大的输出电容以获得精确的电容值和等效串联电阻ESR值。相对于陶瓷电容而言，电解电容和钽电容体积庞大，价格昂贵，等效串联电阻ESR有几欧姆。陶瓷电容等效串联电阻ESR只有几毫欧到几十毫欧之间。采用传统的补偿方法就要求等效串联电阻ESR即不能太大也不能太小。一般情况下要求等效串联电阻ESR大概在几百毫欧到几欧之间。因此从成本考虑陶瓷电容是最佳选择，但要求有电阻与其串联使用。
上述传统的补偿方法不仅对电容和等效串联电阻ESR要求很高，瞬态响应特性较差和输出纹波较大，而且固定的零点只能对于有限的输出电流范围起到稳定作用，而对于输出负载变化很大情况，系统稳定性依然会出现问题。对于负载电流从几十微安到几十毫安甚至几百毫安的变化中，负载电阻会变化为原来几千分之一，主极点的位置也会发生几千倍的变化，一些寄生的极点对相位的影响不可忽略。系统就会趋向于不稳定。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路。
本发明采用了下列技术方案解决了其技术问题：一种低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路，包括一个跨导放大器，该跨导放大器的输出端通过电压缓冲器连接电压调整管的栅极，该电压调整管的源极连接电源端，漏极与两分压电阻构成的反馈网络相连接，该反馈网络的中端连接跨导放大器的反相输入端，其特征在于：还包括一个电流检测电路，其一端连接电压缓冲器与电压调整管的公共端，另一端连接一个可变电阻电路的调节端，该可变电阻电路的一端连接跨导放大器补偿端，另一端通过补偿电容连接电压缓冲器与电压调整管的公共端。
本发明成功解决了低压差线性稳压器稳定性问题，而且使得负载电容的等效串联电阻ESR对系统稳定性，瞬态响应，纹波的影响也并非至关重要。在本发明中，为了维持系统在输出负载大范围内变化时的稳定，要求无论负载如何变化，系统都有足够的相位裕度。当负载较大，电流较小时，在结点C处极点即主极点位置较低，电流检测电路检测出的电流较小，此时可变电阻电路的电阻较大，零点位置也相对较低，起到补偿作用；当负载减小，电流增大时，在结点C处主极点位置较高，检测电路的检测电流随负载电流增大而增大，可变电阻电路阻值较小，零点位置较高。所以产生的自适应零点跟踪极点的变化而变化，有效的保证系统工作在稳定状态。
【附图说明】
图1为传统的低压差线性稳压器电路结构示意图；
图2为本发明中自适应零点频率补偿电路结构图；
图3是本发明中电流检测电路和可变电阻电路结构图。
图中各序号分别表示为：
1-跨导放大器； 2-电压缓冲器； 3-可变电阻电路；
4-电流检测电路； R1-分压电阻； R2-分压电阻；
Vref-基准电压； RL-负载电阻； Cc-补偿电容；
CL-输出电容； ESR-为负载电容CL寄生的等效串联电阻；
M1-第一场效应管； M2-第二场效应管； M3-第三场效应管；
M4-第四场效应管； M5-第五场效应管； M6-第六场效应管；
M7-第七场效应管； M8-第八场效应管； M9-电压调整管。
Vin-电源端
【具体实施方式】
以下结合附图及其实施例对本发明作进一步的描述。
参照图2，本发明包括一个跨导放大器1(OTA)，该跨导放大器1的输出端通过电压缓冲器2连接电压调整管M9(PMOS)的栅极，该电压调整管M9的源极连接电源端Vin，漏极与两分压电阻R1、R2构成的反馈网络相连接，该反馈网络的中端连接跨导放大器1的反相输入端。
本发明还包括一个电流检测电路4，其一端连接电压缓冲器2与电压调整管M9的公共端，另一端连接一个可变电阻电路3的调节端，该可变电阻电路3的一端连接跨导放大器1补偿端，另一端通过补偿电容CC连接电压缓冲器2与电压调整管M9的公共端。
参照图3所示，本发明所述的电流检测电路4是由场效应管构成，其中第一场效应管M1的栅极连接电压缓冲器2与电压调整管M9的公共端，源极与电源端Vin相连接，漏极连接第二场效应管M2栅极与漏极的公共端；第二场效应管M2栅极与漏极相连接，其公共端与第三场效应管M3的栅极相连接，源极连接电源零端；第三场效应管M3漏极与第四场效应管M4漏极相连接，源极连接电源零端；第四场效应管M4栅极连接第五场效应管M5栅极与漏极的公共端，源极连接电源零端；第五场效应管M5栅极与漏极相连接，其公共端上加入偏置电流，源极连接电源零端；第六场效应管M6栅极与漏极相连接，其公共端连接第三场效应管M3以及第四场效应管M4漏极的公共端，源极连接第七场效应管M7栅极与漏极的公共端；第七场效应管M7栅极与漏极相连接，源极与电源端Vin相连接。
继续参照图3所示，本发明所述的可变电阻电路3也由场效应管构成，其中第八场效应管M8的栅极与电流检测电路4中的第六场效应管M6栅极与漏极的公共端相连接，源极与跨导放大器1补偿端相连接，漏极连接补偿电容CC，该补偿电容CC的另一端连接电压缓冲器2与电压调整管M9的公共端。
在本发明中没有考虑电压基准源的设计，只是用一个基准电压Vref代替电压基准源。
以下简述本发明的工作原理：本发明在电压调整管M9处并联第一场效应管M1作为电流检测管，检测输出电流。该第一场效应管M1将检测出的电流通过第二场效应管M2镜像到第三场效应管M3。第五场效应管M5将外加偏置电流镜像到第四场效应管M4。该第四场效应管M4和第三场效应管M3的电流之和通过第六场效应管M6和第七场效应管M7。第八场效应管M8是工作在线性区的MOS管，作为可变电阻电路3，其阻值随E点电压变化而变化。其中D点为跨导放大器1中的一个与结点A反相的结点。
当负载变大即负载电流变小时，主极点变小，流经检测管第一场效应管M1，此时，第三场效应管M2、第三场效应管M3的电流与负载电流成比例减小。由于第四场效应管M4电流为外加偏置电流固定不变，所以流过第六场效应管M6和第七场效应管M7的电流减小，使得结点E的电压上升，即使得工作在线性区的第八场效应管M8的栅极电压上升，从而增大从结点D到结点B的电阻，补偿零点跟随输出极点的下降而下降。其中由第四场效应管M4和第五场效应管M5提供的固定偏置电流主要是限制结点E的电压，防止输出电流过低，导致E点电压过高而使得工作在线性区的第八场效应管M8截止，致使整个电路的失去补偿作用。
反之，当负载变小，输出电流变大，主极点变大，则流过检测的第一场效应管M1电流减小，第二、三场效应管M2、M3，以及第六、七场效应管M6、M7的电流随即减小，于是E点电压下降，工作于线性区的第八场效应管M8沟道电阻减小，补偿零点频率跟随主极点频率增加而增加，从而维持了系统稳定性。
综上所述分析，本发明的自适应零点频率补偿电路很好的解决了传统频率补偿方法所无法解决的输出负载大范围变化时系统不稳定问题。
Claims (2)
1.一种低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路，包括一个跨导放大器，该跨导放大器的输出端通过电压缓冲器连接电压调整管的栅极，该电压调整管的源极连接电源端，漏极与两分压电阻构成的反馈网络相连接，该反馈网络的中端连接跨导放大器的反相输入端，其特征在于：还包括一个电流检测电路，其一端连接电压缓冲器与电压调整管的公共端，另一端连接一个可变电阻电路的调节端，该可变电阻电路的一端连接跨导放大器补偿端，另一端通过补偿电容连接电压缓冲器与电压调整管的公共端；
所述的电流检测电路由场效应管构成，其中第一场效应管的栅极连接电压缓冲器与电压调整管的公共端，源极与电源端相连接，漏极连接第二场效应管栅极与漏极的公共端；第二场效应管栅极与漏极相连接，其公共端与第三场效应管的栅极相连接，源极连接电源零端；第三场效应管漏极与第四场效应管漏极相连接，源极连接电源零端；第四场效应管栅极连接第五场效应管栅极与漏极的公共端，源极连接电源零端；第五场效应管栅极与漏极相连接，其公共端上加入偏置电流，源极连接电源零端；第六场效应管栅极与漏极相连接，其公共端连接第三、第四场效应管漏极的公共端，源极连接第七场效应管栅极与漏极的公共端；第七场效应管栅极与漏极相连接，源极与电源端相连接；
电压调整管处并联的第一场效应管作为电流检测管，检测输出电流；该第一场效应管将检测出的电流通过第二场效应管镜像到第三场效应管；第五场效应管将外加偏置电流镜像到第四场效应管；该第四场效应管和第三场效应管的电流之和通过第六场效应管和第七场效应管。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器中的自适应零点频率补偿电路，其特征在于：所述的可变电阻电路由场效应管构成，其中第八场效应管的栅极与电流检测电路中的第六场效应管栅极与漏极的公共端相连接，源极与跨导放大器补偿端相连接，漏极连接补偿电容，该补偿电容的另一端连接电压缓冲器与电压调整管的公共端；第八场效应管是工作在线性区的MOS管。
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