CN102063145B - 一种自适应频率补偿低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，包括误差放大器和功率管，功率管的源极接电源端，漏极与两分压电阻构成的反馈网络相连接，反馈网络的中端连接误差放大器的正输入端，在误差放大器和功率管的栅极之间依次设有第一缓冲器和带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器。本发明具有环路带宽大、驱动适应性强和在不同驱动电流模式间切换过程中输出波形平稳等优点。

Description

一种自适应频率补偿低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及的是一种低压差线性稳压器，具体涉及的是一种自适应频率补偿低压差线性稳压器。

背景技术

低压差线性稳压器在集成电路中有着广泛的用途，一般用来为芯片内部电路提供稳定的内核电压。低压差线性稳压器可以工作在很宽的输入电压范围内，具有很强的电源适应性。除此之外，使用低压差线性稳压器也可以一定程度上消除外部电源的毛刺和干扰。特别是在使用电池供电的场合，目前很多模拟数字芯片的内核电源电压在1.2V-1.8V，而电池的电压通常是固定的。在芯片内集成低压差线性稳压器，如此具有不同内核电压的芯片就可以工作在同样的电源电压下，实现高度的实用灵活性。由于低压差线性稳压器通常采用反馈结构，配合误差放大器在一定带宽内可以实现较高的电源抑制比，消除了外部电源噪声和干扰信号的影响。

低压差线性稳压器在芯片内部是当作电源使用的，其输出电流有着很宽的变化范围。对应的等效输出负载可以从几百兆欧一直变化到几十欧，从低压差线性稳压器的反馈环路看，其输出极点的位置会变化数万倍。这会给整个低压差线性稳压器反馈环路的稳定性设计带来很大的挑战。为了消除该效应的影响，通常的做法是在输出端并联一个很大的电容，将输出极点拉到足够低的位置。直到在最小负载情况下反馈环路的单位增益频率低于环路第二个极点的位置。从而保证了在最差情况下环路相位裕度大于45度。但这样做的后果是并联了一个太大的电容(通常是数十至数百μF)，使得环路带宽被严重限制了，对干扰和电源波动的抑制能力也有所下降。另一种方法是使用缓冲器(通常是源跟随器)来提高第二，第三极点的位置，使得这些极点远离主极点(输出极点)，即使主极点(输出极点)的位置发生很大的变化，次极点的位置始终大于单位增益频率。但是这样做的主要缺点是要实现较高的次极点位置，需要很大的电流来驱动这些缓冲器。这样的做法直接导致了低压差线性稳压器的高功耗。为了在提高次极点位置的同时不增加过多的额外功耗，需要设计出具有更高电流效率的缓冲器，即在较低的偏置电流下即可实现很低的输出电阻。另外可以引入自适应频率补偿技术，即次极点位置根据主极点的变化而相应变化，在主极点位置较低时，只需要较低的电流便可以实现保证次极点大于单位增益频率。而在输出大电流即负载较低时，对缓冲器注入额外电流，使得次极点与主极点以相同的速度增加，继续保证环路的稳定性。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种环路带宽大、驱动适应性强和在不同驱动电流模式间切换过程中能输出平稳波形的自适应频率补偿低压差线性稳压器。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括误差放大器和功率管，功率管的源极接电源端，漏极与两分压电阻构成的反馈网络相连接，反馈网络的中端连接误差放大器的正输入端，在误差放大器和功率管的栅极之间依次设有第一缓冲器和带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器。

上述误差放大器由场效应管组成，其中，第零效应管的漏极接基准电流，栅极与漏极短接，源极接地；第一效应管的栅极接第零效应管的栅极，漏极分别接第二效应管的源极和第三效应管的源极，源极接地；第二效应管的栅极接反馈网络的中端，漏极接第四效应管的漏极；第三效应管的栅极接参考电压，漏极接第五效应管的漏极；第四效应管的源极接电源端，栅极与漏极短接；第五效应管的源极接电源端，栅极接第四效应管的栅极。

上述第一缓冲器由场效应管组成，其中，第六效应管漏极接电源端，栅极接第三效应管的漏极，源极接第七效应管的漏极；第七效应管的栅极与第一效应管的栅极相连接，源极接地。

上述第二缓冲器包括场效应管，其中，第八效应管的源极接电源端，漏极与第九效应管的源极相连接，栅极与漏极短接；第九效应管的漏极与第十效应管的漏极相连接，栅极与漏极短接；第十效应管的源极接地，栅极接第七效应管的栅极；第十二效应管的栅极接第十效应管的栅极，漏极分别连接到第十六效应管的漏极和第十三效应管的源极，源极接地；第十一效应管的源极与漏极短接，栅极接第十二效应管的栅极；第十三效应管的栅极接偏置电压，漏极接第十四效应管的漏极；第十四效应管的源极接电源端，栅极接第八效应管的栅极，漏极接第十五效应管的栅极；第十五效应管的源极接电源端，漏极接第十六效应管的源极；第十六效应管的栅极接第六效应管源极，源极接功率管栅极；第十七效应管的漏极接第十六效应管的漏极，栅极与漏极短接，源极接地；第二十效应管的源极接电源端，栅极接功率管的栅极；第十九效应管的漏极接第二十效应管的漏极，栅极与漏极短接，源极接地；第十八效应管的源极接地，漏极接第十六效应管的漏极，栅极接第十九效应管的栅极。第八效应管和第十效应管之间连接一个第九效应管，用来缓和沟道调制效应对电流复制精度的影响。第十三效应管、第十四效应管、第十五效应管和第十六效应管构成一个负反馈环路，用以大幅降低从第十六效应管的源极看进去的电阻。小宽长比第十七效应管并联在第十二效应管的漏极用稳定整个低压差线性稳压器建立的过程。

上述的第二缓冲器还包括由第三电阻和与第三电阻串联的第一电容组成的稳定支路，其一端接在第十五效应管的栅极，另一端接电源端。稳定支路用来补偿上述负反馈环路的稳定性。

本发明加入了第一缓冲器和第二缓冲器，可以使用较低的片外电容C0(1μF)，保证了本发明的环路带宽；使用了跨导自举的第二缓冲器并同时引入了动态阻抗调整技术，使得第二极点随输出极点同步变化，只在需要的时候注入电流，提高了电流利用效率；该电路具有驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为本发明的电路框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的第二缓冲器的电路原理图；

图4为本发明在最大和无驱动电流情况下的环路幅频特性曲线(实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式)；

图5为本发明在最大和无驱动电流情况下的环路相频特性曲线(实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式)；

图6为本发明在最大驱动电流(100mA)与无驱动电流模式之间切换过程中的时域波形。

图中各序号分别表示：

1-误差放大器；2-第一缓冲器；3-第二缓冲器；31-电流境；32-跨导自举电路；33-自适应频率补偿电路；

R1-第一电阻；R2-第二电阻；R3-第三电阻；R-键合线电阻；RL-负载电阻；

C0-片外电容；C1-第一电容；

Iref-基准电流；Vin-电源端；V1-参考电压；V2-偏置电压；

M0-第零效应管；M1-第一效应管；M2-第二效应管；

M3-第三效应管；M4-第四效应管；M5-第五效应管；

M6-第六效应管；M7-第七效应管；M8-第八效应管；

M9-第九效应管；M10-第十效应管；M11-第十一效应管；

M12-第十二效应管；M13-第十三效应管；M14-第十四效应管；

M15-第十五效应管；M16-第十六效应管；M17-第十七效应管；

M18-第十八效应管；M19-第十九效应管；M20-第二十效应管；PMO-功率管；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1、图2和图3，本发明包括误差放大器1，误差放大器1的输出端连接第一缓冲器2的输入端，第一缓冲器2的输出端连接带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器3输入端，第二缓冲器3的输出端与功率管PMO的栅极相连接，源极接电源端，漏极接反馈网络。反馈网络包括与功率管PMO漏极相连接的第一电阻R1、与第一电阻R1下端相连接的第二电阻R2、片外电容C0和与片外电容C0上极板相连接的键合线电阻R，键合线电阻R的上端接第一电阻R1的上端，片外电容C0下极板接第二电阻R2的下端，第二电阻R2的下端接地，第二电阻R2的上端接误差放大器1的正输入端，误差放大器1的负输入端接1.2V参考电压。本发明的第二缓冲器3可根据负载电阻RL的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。

误差放大器1由效应管组成，其中，第零效应管M0的漏极接基准电流，漏极与栅极短接，源极接地；第一效应管M1的栅极与第零效应管M0的栅极相连接，源极接地，漏极分别接第二效应管M2的源极与第三效应管M3的源极；第二效应管M2的栅极接第二电阻R2的上端，漏极接第四效应管M4的漏极；第三效应管M3的栅极接1.2V参考电压，漏极接第五效应管M5的漏极；第四效应管M4的源极接电源端，栅极和漏极短接；第五效应管M5的栅极接第四效应管M4的栅极，源极接电源端。第零效应管M0为尾电流源，第一效应管M1和第二效应管M2为差分对NMOS管，第四效应管M4和第五效应管M5为负载管。

第一缓冲器2由效应管组成，其中，第六效应管M6的漏极接电源端，栅极接第五效应管M5的漏极，源极接第七效应管M7的漏极；第七效应管M7的栅极接第一效应管M1的栅极，源极接地。第七效应管M7为尾电流源。

第二缓冲器3包括为PMOS管的第八效应管M8、第九效应管M9、第十四效应管M14、第十五效应管M15、第十六效应管M16、第二十效应管M20和为NMOS管的第十效应管M10、第十一效应管M11、第十二效应管M12、第十三效应管M13、第十七效应管M17、第十八效应管M18、第十九效应管M19。

第八效应管M8的源极接电源端，漏极接第九效应管M9的源极，栅极与漏极短接；第九效应管M9的漏极与第十效应管M10的漏极相连接，栅极与漏极短接；第十效应管M10的源极接地，栅极接第七效应管M7的栅极；三者构成第一电流境31，为第十四效应管M14提供镜像电流。

第十二效应管M12栅极接第十效应管M10的栅极，漏极分别连接到第十六效应管M16的漏极和第十三效应管M13的源极，源极接地；第十三效应管M13的栅极接1.2V的偏置电压，漏极接第十四效应管M14的漏极；第十四效应管M14的源极接电源端，栅极接第八效应管M8的栅极，漏极接第十五效应管M15的栅极；第十五效应管M15的源极接电源端，漏极接第十六效应管M16的源极；第十六效应管M16的栅极作为第二缓冲器3的输入端，接第一缓冲器2的第六效应管M6源极，源极作为第二缓冲器3的输出端，接功率管PMO栅极；五者组成跨导自举电路32，其输出阻抗在第十六效应管M16跨导分之一的基础上被降低了环路增益倍。

第三电阻R3和与第三电阻R3串联的第一电容C1组成稳定支路，稳定支路的一端接第十五效应管M15的栅极，另一端接电源端。

第十一效应管M11的源极与漏极短接，栅极接第十二效应管M12的栅极；第十七效应管M17的漏极接第十六效应管M16的漏极，栅极与漏极短接，源极接地。

第二十效应管M20的源极接电源端，栅极接功率管PMO的栅极；第十九效应管M19的漏极接第二十效应管M20的漏极，栅极与漏极短接，源极接地；第十八效应管M18的源极接地，漏极接第十六效应管M16的漏极，栅极接第十九效应管M19的栅极；三者组成自适应频率补偿电路33。

以下简述本发明的工作原理：

本发明采用两级缓冲器级联，其中第二缓冲器3使用自适应频率补偿技术，第一缓冲器2是一个NMOS管输入的源极跟随器。

本发明从整个电路上看，主要有四个极点和一个零点。极点从低频到高频来看，第一个极点即主极点出现在输出端口(第一电阻R1的上端)，由片外电容C0和输出端等效输出阻抗组成。第二个极点出现在误差放大器1与第一缓冲器2之间，第四个极点出现在第一缓冲器2与第二缓冲器3之间，由于第一缓冲器2可以提供适中的输出电阻，该极点位置较高，即使在主极点位置发生较大变化的情况下亦不须往高频移动，第三个极点处于第二缓冲器3与功率管PMO之间，鉴于该低压差线性稳压器的电流驱动能力较强，该功率管PMO的面积十分可观，带来较大的输入电容。第二缓冲器3实现较低的输出电阻，将该极点推至较高的位置。片外电容C0与键合线电阻R同时提供一个零点。这个零点可以用来抵消掉误差放大器1与第一缓冲器2间的极点。如此整个环路主要剩下三个极点：主极点随驱动电流的增加往高频移动；第二个极点通过监控输出电流进行动态调整，随主极点以相同的步调往高频移动；第三个极点位置较高，在负载变化过程中可以不作考虑。由此实现在整个驱动范围内环路的相位裕度始终大于60度，从而保证了该低压差线性稳压器在不同负载的切换过程中具有平滑稳定的输出波形。

第二缓冲器3的跨导自举电路32中，第十二效应管M12作为尾电流源，确定整个缓冲器的偏置电流。第八效应管M8、第九效应管M9、第十效应管M10构成第一电流境为第十四效应管M14提供镜像电流。第八效应管M8和第十效应管M10之间连接一个第九效应管M9，用来缓和沟道调制效应对电流复制精度的影响。第十四效应管M14所在支路的电流被确定后，第十六效应管M16所在支路的偏置电流也同时被确定。第十三效应管M13、第十四效应管M14、第十五效应管M15和第十六效应管M16构成一个负反馈环路，用以大幅降低从第十六效应管M16的源极看进去的电阻。稳定支路用来补偿该局部负反馈环路的稳定性。小宽长比第十七效应管M17并联在第十二效应管M12的漏极用稳定整个低压差线性稳压器建立的过程。当输出驱动电流增加的时候，第二十效应管M20复制响应比例的电流，通过由第十八效应管M18、第十九效应管M19、第二十效应管M20组成的自适应频率补偿电路33注入到尾电流，形成额外的偏置电流，降低第二缓冲器3的输出阻抗，使得第二极点随输出极点同步往高频方向移动。

参见图4和图5，当输出电流从0变化到100mA时，环路主极点位置从1Hz变化到10KHz。但是次极点的位置也在往高频处移动，始终保证次极点位置在单位增益频率以上。保证了环路稳定性。结合幅频特性曲线和相频特性曲线可以得知，环路的相位裕度始终处于60度以上。

参见图6，在负载突变的最差情况下，输出电压也相应产生了变化，但是其变化幅度在10mV以内，对电路产生的影响基本可以忽略。而且该相应波形过渡平稳，显示了较好的瞬态响应特性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，包括误差放大器（1）、功率管和反馈网络；所述反馈网络包括第一电阻和与第一电阻负极相连接的第二电阻，所述第二电阻的负极接地；所述功率管的源极接电源端，功率管的漏极接第一电阻的正极，所述误差放大器（1）的正输入端接第一电阻与第二电阻的公共端,

其特征在于，在所述误差放大器（1）和功率管的栅极之间依次设有第一缓冲器（2）和带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器（3）；

所述误差放大器（1）由场效应管组成，其中，第零效应管的漏极接基准电流，栅极与漏极短接，源极接地；第一效应管的栅极接第零效应管的栅极，漏极分别接第二效应管的源极和第三效应管的源极，源极接地；第二效应管的栅极接反馈网络的中端，漏极接第四效应管的漏极；第三效应管的栅极接参考电压，漏极接第五效应管的漏极；第四效应管的源极接电源端，栅极与漏极短接；第五效应管的源极接电源端，栅极接第四效应管的栅极；

所述第一缓冲器（2）由场效应管组成，其中，第六效应管漏极接电源端，栅极接第三效应管的漏极，源极接第七效应管的漏极；第七效应管的栅极与第一效应管的栅极相连接，源极接地；

所述第二缓冲器（3）包括场效应管，其中，第八效应管的源极接电源端，漏极与第九效应管的源极相连接，栅极与漏极短接；第九效应管的漏极与第十效应管的漏极相连接，栅极与漏极短接；第十效应管的源极接地，栅极接第七效应管的栅极；第十二效应管的栅极接第十效应管的栅极，漏极分别连接到第十六效应管的漏极和第十三效应管的源极，源极接地；第十一效应管的源极与漏极短接，栅极接第十二效应管的栅极；第十三效应管的栅极接偏置电压，漏极接第十四效应管的漏极；第十四效应管的源极接电源端，栅极接第八效应管的栅极，漏极接第十五效应管的栅极；第十五效应管的源极接电源端，漏极接第十六效应管的源极；第十六效应管的栅极接第六效应管源极，源极接功率管栅极；第十七效应管的漏极接第十六效应管的漏极，栅极与漏极短接，源极接地；第二十效应管的源极接电源端，栅极接功率管的栅极；第十九效应管的漏极接第二十效应管的漏极，栅极与漏极短接，源极接地；第十八效应管的源极接地，漏极接第十六效应管的漏极，栅极接第十九效应管的栅极；

所述的第二缓冲器（3）还包括由第三电阻和与第三电阻串联的第一电容组成的稳定支路，其一端接在第十五效应管的栅极，另一端接电源端。

Images