CN101986236B

CN101986236B - 稳压器的频率补偿电路

Info

Publication number: CN101986236B
Application number: CN201010527694.6A
Authority: CN
Inventors: 陈亮
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: US8847678B2; US20120105025A1; CN101986236A

Abstract

本发明实施例提供了一种稳压器的频率补偿电路。该频率补偿电路主要包括：顺序级联的第一跨导运放电路，第二跨导运放电路，第三跨导运放电路，所述第一跨导运放电路接收输入的待补偿电压，所述第三跨导放大电路输出补偿后的电压；在所述第二跨导放大电路的输出端和第三跨导放大电路的输出端之间并列连接第一级跨导负反馈补偿电路，在所述第一跨导放大电路的输出端和所述第三跨导放大电路的输出端之间并列连接第二级跨导负反馈补偿电路。本发明实施例通过采用三级跨导运放电路和两级补偿电路的结构，可以使LDO的频率补偿电路在各种输出电流的情况下，不但使频率补偿电路的环路保持稳定，并且使频率补偿电路的运放增益也比较大。

Description

稳压器的频率补偿电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种LDO(low drop-out voltageregulator，低压差线性稳压器)的频率补偿电路。

背景技术

LDO是一种线性稳压器，主要用来给电路提供一个稳定的电压源。LDO设计面临的主要问题是LDO环路的频率补偿，良好的频率补偿可以使LDO环路稳定，可以提高LDO环路的瞬态响应速度，降低LDO环路的静态功耗等。

现有技术中的一种LDO的频率补偿方案为：采用电流型米勒补偿。图1是是采用电流型米勒补偿的LDO环路的原理示意图。其中三角形的符号代表了跨导级，该跨导级为将电压转化为电流的电路，用gm表示，其中的gm前的负号表示该跨导级随输入电压的增加输出电流减小，gm前无负号的表示该跨导级随输入电压的增加输出电流增加，其中的r代表电路节点的等效电阻，c代表电路节点的等效电容。

上述图1所示的原理图的具体电路实现方式如图2所示。图2所示的LDO电路包括：一个运放电路，一个输出功率管MP，一个基准电压VBG，两个分压电阻R1和R2和一个外置补偿电容CL，Cpar是pmos管P8的寄生电容。RL代表外部的负载，Vin是输入电压，Vout是输出电压

在图2中R1，R2处断开可以得到如图3所示的开环结构的LDO电路。在输出电流小于设定的数值(比如，1A)的情况下，图3所示的开环结构的LDO电路存在如下的两个主要的极点：

p_{3} = \frac{- 1}{r_{01} * C_{par}}

p_{4} = \frac{- 1}{r_{02} * C_{L}}

上述r_o1表示N1点的输出电阻，r_o2表示Pmos的输出电阻和负载电阻并联后的阻抗，Cpar表示N1点处的等效寄生电容。

在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中的LDO的频率补偿方案至少存在如下问题：

在输出小电流的情况下，如果r_o1的值比较大，那么上述极点P3的位置会在比较低的频率上，这样会影响到LDO环路的稳定性。如果r_o1的值比较小，虽然极点P3的位置会在比较高的频率上，LDO环路的稳定性比较好，但是由于r_o1的值比较小，在输出大电流的情况下将导致LDO环路的运放增益比较小，进而会恶化LDO环路的负载调整率、输出电压精度和电源噪声抑制等性能。

发明内容

本发明的实施例提供了一种稳压器的频率补偿电路，以实现频率补偿电路在输出小电流的情况下环路稳定，在输出大电流的情况下频率补偿增益比较大。

一种稳压器的频率补偿电路，包括：

顺序级联的第一跨导运放电路，第二跨导运放电路，第三跨导运放电路，所述第一跨导运放电路接收输入的待补偿电压，所述第三跨导放大电路输出补偿后的电压；

在所述第二跨导放大电路的输出端和第三跨导放大电路的输出端之间并列连接第一级跨导负反馈补偿电路，在所述第一跨导放大电路的输出端和所述第三跨导放大电路的输出端之间并列连接第二级跨导负反馈补偿电路。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过采用三级跨导运放电路和两级补偿电路的结构，可以使稳压器的频率补偿电路在各种输出电流的情况下，不但使频率补偿电路的环路保持稳定，并且使频率补偿电路的运放增益也比较大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种采用电流型米勒补偿的LDO环路的原理示意图；

图2为图1所示的原理图的具体电路实现方式示意图；

图3为在图2中R1，R2处断开得到的电流型米勒补偿的LDO的开环原理图；

图4为本发明实施例一提供的一种LDO的频率补偿电路的原理示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图；

图6为本发明实施例二提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图

图7为本发明实施例二提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图

图8为本发明实施例二提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

下面以LDO(low drop-out voltage regulator，低压差线性稳压器)为例来说明本发明实施例。

实施例一

该实施例提供的一种LDO的频率补偿电路的原理示意图如图4所示，整个频率补偿电路具体包括：

顺序级联的第一跨导运放电路，第二跨导运放电路，第三跨导运放电路，所述第一跨导运放电路接收输入的待补偿电压Vin，所述第三跨导放大电路输出补偿后的电压Vout。

上述第一级跨导运放电路、第二级跨导运放电路和第三级跨导运放电路通过三级放大，保证上述频率补偿电路的运放增益比较大。上述第一级跨导负反馈补偿电路和第二级跨导负反馈补偿电路在所述频率补偿电路的输出电流大于设定的数值时，进行频率负反馈补偿处理。

实施例二

该实施例提供的一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图如图5所示，整个频率补偿电路具体包括：等效电阻r₁、r₂、r₃、r₄、r₅；等效电容c₁、c₂、c₃；补偿电容cm1、cm2；跨导级gm1、gm2、-gm3、gm4和gm5。上述等效电阻r₁、r₂、r₃、r₄、r₅的阻值、等效电容c₁、c₂、c₃的容值都小于设定的数值，即设置得比较小，cm1和cm2的电容都大于设定的数值，即设置得比较大。

上述r1、r2是兆欧量级。上述r3的值是随输出电流变化的，变化的范围从几百K到几欧姆之间。r4、r5都是几十k欧姆。上述c1、c2是fF量级，cm1和cm2是pF量级，c3是uF量级。

gm1的输入端连接整个频率补偿电路的输入端Vin，gm1的输出端连接r₁、c₁组成的环路，以及gm5的输入端。Gm2的输入端连接r₁、c₁组成的环路，gm2的输出端连接r₂、c₂组成的环路，以及gm4的输入端。-gm3的输入端连接r₂、c₂组成的环路，-gm3的输出端连接r₃、c₃组成的环路，r₃、c₃组成的环路还连接整个频率补偿电路的输出端Vout。gm5的输出端连接r₅和cm1，再连接到r₃、c₃组成的环路。Gm4的输出端连接r₄和cm2，再连接到r₃、c₃组成的环路。

顺序串联连接的gm1和r₁、c₁构成第一级跨导运放电路，顺序串联连接的gm2和r₂、c₂构成第二级跨导运放电路，顺序串联连接的-gm3和r₃、c₃构成第三级跨导运放电路。顺序串联连接的gm5、r₅、cm1构成第一级跨导负反馈补偿电路，顺序串联连接的gm4、r₄、cm2构成第二级跨导负反馈补偿电路。

根据频率补偿的原理，只要LDO电路的开环相位裕度大于0度，考虑到工艺的偏差通常要求LDO电路的开环相位裕度大于45度，LDO电路连接成一个闭环时就是稳定的。这要求LDO电路的至少一个极点的频率位于LDO的单位增益带宽处或者比单位增益带宽的频率大。上述LDO环路的单位增益带宽是指当LDO环路的增益下降到1时对应的带宽，相位裕度是指180度减去当环路增益下降到1时环路的相位变化量。

在上述图5所示的LDO的频率补偿电路的Vout处的输出电流小于设定的数值，比如，为50uA，即输出小电流的情况下，r3的阻值随输出电流变小而变大，输出级的跨导gm3很小。上述频率补偿电路的主极点的位置在输出处(即Vout处)，主极点的频率的计算公式如下：由于r3的阻值的很大，上述主极点P₁的频率比较小。上述频率补偿电路的两个次极点分别位于gm1、gm2的输出端，两个次极点的频率的计算公式如下：

由于r1、r2的阻值都比较小，c1、c2的容值都比较小，所以上述次极点P₂、P₃的频率比较大。

在输出为小电流的情况下，上述频率补偿电路的单位增益带宽的计算公式是

显然上述次极点P₂、P₃的频率都比上述单位增益带宽大，从而使电路在输入小电流的情况下是稳定的。由于输出级的跨导gm3很小，不能满足米勒补偿的条件，所以在小电流的情况下米勒补偿不起作用，上述第一级跨导负反馈补偿电路、第二级跨导负反馈补偿电路不进行频率补偿处理。

在上述图5所示的LDO的频率补偿电路的输出电流大于设定的数值，即输出大电流的情况下，r3的阻值随输出电流变大而变小，输出级的跨导gm3很大。上述频率补偿电路的单位增益带宽的计算公式是

上述频率补偿电路的主极点P₁的位置在gm1的输出端，主极点P₁的频率的计算公式如下：

主极点p1的频率很低。两个次极点的频率的计算公式如下：

两个次极点p2、p3的频率很大，大于上述频率补偿电路的单位增益带宽，所以电路是稳定的。

在输出为大电流的情况下，由于输出级的跨导gm3很大，满足米勒补偿的条件，所以在大电流的情况下米勒补偿起作用，上述第一级跨导负反馈补偿电路、第二级跨导负反馈补偿电路进行频率补偿处理。此时，上述第一级跨导运放电路、第二级跨导运放电路和第三级跨导运放电路的放大比例虽然都不大，都是由于是三级放大，上述频率补偿电路的运放增益也比较大。

在实际应用中，可以将上述图5中的五个跨导级gm1、gm2、gm3、gm4和gm5的符号进行变换，但是要保证gm5、gm3、gm2串联的符号是负的，gm4和gm2串联的符号是负的。该实施例提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图如图6所示，图6所示的频率补偿电路和图5所示的频率补偿电路的区别在于跨导级gm5的符号从正改变为负，跨导级gm4的符号从正改变为负，跨导级gm3的符号从负改变为正，其余的部分和图5所示的频率补偿电路完成相同。图6所示的频率补偿电路中主极点、次极点的位置和频率的计算方法，以及频率补偿电路的单位增益带宽的计算也和图5所示的频率补偿电路完成相同。

该实施例提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路示意图如图7所示，图7所示的频率补偿电路和图5所示的频率补偿电路的区别在于跨导级gm4的符号从正改变为负，跨导级gm3的符号从负改变为正，其余的部分和图5所示的频率补偿电路完成相同。图7所示的频率补偿电路中主极点、次极点的位置和频率的计算方法，以及频率补偿电路的单位增益带宽的计算也和图5所示的频率补偿电路完成相同。

该实施例提供的另一种LDO的频率补偿电路的具体实现电路图如图8所示，图8所示的频率补偿电路和图5所示的频率补偿电路的区别在于跨导级gm5的符号从正改变为负，跨导级gm2的符号从正改变为负，其余的部分和图5所示的频率补偿电路完成相同。图8所示的频率补偿电路中主极点、次极点的位置和频率的计算方法，以及频率补偿电路的单位增益带宽的计算也和图5所示的频率补偿电路完成相同。

通过实验验证，上述图7所示的LDO的频率补偿电路在输出电流非常大(为300mA)时，单位增益带宽仍然比较大，有77.5dB，相位裕度有接近90度，频率补偿电路稳定。在输出电流比较小(为76uA)时，相位裕度有为58度，频率补偿电路也稳定。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例通过采用三级跨导运放电路和两级补偿电路的结构，可以使LDO等稳压器的频率补偿电路在各种输出电流的情况下，不但使频率补偿电路的环路保持稳定，并且使频率补偿电路的运放增益也比较大。

本发明实施例解决了现有的电流型米勒频率电路在输出大电流的情况下的频率补偿增益比较小的问题，从而大大改善了与频率补偿增益相关的LDO的频率补偿电路的负载调整率、输出电压精度和电源噪声抑制性能等特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种稳压器的频率补偿电路，其特征在于，包括：

顺序级联的第一跨导运放电路，第二跨导运放电路，第三跨导运放电路，所述第一跨导运放电路接收输入的待补偿电压，所述第三跨导运放电路输出补偿后的电压；

在所述第二跨导运放电路的输出端和第三跨导运放电路的输出端之间并列连接第一级跨导负反馈补偿电路，在所述第一跨导运放电路的输出端和所述第三跨导运放电路的输出端之间并列连接第二级跨导负反馈补偿电路；

其中，所述第一跨导运放电路包括：第一跨导gm1、第一电阻r₁和第一电容c₁；所述第二跨导运放电路包括：第二跨导gm2、第二电阻r₂和第二电容c₂；所述第三跨导运放电路包括：符号为负的第三跨导gm3、第三电阻r₃和第三电容c₃；所述第一级跨导负反馈补偿电路包括：第四跨导gm4、第四电阻r₄和第二补偿电容cm2；所述第二级跨导负反馈补偿电路包括：第五跨导gm5、第五电阻r₅和第一补偿电容cm1；

或，所述第一跨导运放电路包括：第一跨导gm1、第一电阻r₁和第一电容c₁；所述第二跨导运放电路包括：第二跨导gm2、第二电阻r₂和第二电容c₂；所述第三跨导运放电路包括：第三跨导gm3、第三电阻r₃和第三电容c₃；所述第一级跨导负反馈补偿电路包括：符号为负的第四跨导gm4、第四电阻r₄和第二补偿电容cm2；所述第二级跨导负反馈补偿电路包括：符号为负的第五跨导gm5、第五电阻r₅和第一补偿电容cm1；

或，所述第一跨导运放电路包括：第一跨导gm1、第一电阻r₁和第一电容c₁；所述第二跨导运放电路包括：符号为负的第二跨导gm2、第二电阻r₂和第二电容c₂；所述第三跨导运放电路包括：第三跨导gm3、第三电阻r₃和第三电容c₃；所述第一级跨导负反馈补偿电路包括：符号为负的第四跨导gm4、第四电阻r₄和第二补偿电容cm2；所述第二级跨导负反馈补偿电路包括：第五跨导gm5、第五电阻r₅和第一补偿电容cm1；

或，所述第一跨导运放电路包括：第一跨导gm1、第一电阻r₁和第一电容c₁；所述第二跨导运放电路包括：符号为负的第二跨导gm2、第二电阻r₂和第二电容c₂；所述第三跨导运放电路包括：符号为负的第三跨导gm3、第三电阻r₃和第三电容c₃；所述第一级跨导负反馈补偿电路包括：第四跨导gm4、第四电阻r₄和第二补偿电容cm2；所述第二级跨导负反馈补偿电路包括：符号为负的第五跨导gm5、第五电阻r₅和第一补偿电容cm1；

当所述第三跨导运放电路输出电流小于设定的数值时，所述第三电阻r3的阻值大于设定的数值，输出级的所述第三跨导gm3小于设定的数值，所述第一级跨导负反馈补偿电路、第二级跨导负反馈补偿电路不进行频率补偿处理；所述频率补偿电路的主极点的位置位于所述第三跨导运放电路的输出端，所述频率补偿电路的两个次极点分别位于所述第一跨导运放电路、所述第二跨导运放电路的输出端，所述两个次极点的频率大于所述频率补偿电路的单位增益带宽，所述第一级跨导负反馈补偿电路、第二级跨导负反馈补偿电路不进行频率补偿处理。

2.根据权利要求1所述的稳压器的频率补偿电路，其特征在于：

当所述第三跨导运放电路输出电流大于设定的数值时，所述第三电阻r3的阻值小于设定的数值，输出级的所述第三跨导gm3大于设定的数值，所述第一级跨导负反馈补偿电路、第二级跨导负反馈补偿电路进行频率补偿处理，所述频率补偿电路的主极点的位置位于所述第一跨导运放电路的输出端，所述频率补偿电路的次极点的频率大于所述频率补偿电路的单位增益带宽，通过所述第一跨导运放电路、第二跨导运放电路和第三跨导运放电路的放大处理，所述频率补偿电路的运放增益大于设定的数值。