CN102411394B - 一种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,该稳压器包括基准电压源,误差放大器,两个偏置电路,N沟道MOS管一及其采样和限流电路,N沟道MOS管二及其采样和限流电路,还有整个线路的补偿单元。稳压器的工作原理为,误差放大器检测到输出电阻的连接形式,当输出电阻接到地时,环路控制使N沟道MOS管一Source电流;当输出电阻接到电源时,环路控制使N沟道MOS管二Sink电流。本发明构思新颖,使用方便,大的带载能力使其有较广的使用范围。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域,涉及一种低压差线性稳压器,尤其是一种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器简称LDO(Low-Dropout Voltage Regulator),是一种输入电压大于输出电压的直流线性稳压器,它具有输入输出响应快,噪声低,成本低廉等优点,因此广泛应用于电池供电的各种电子设备,通信设备,电源等。
在设计LDO的时候,最关键的问题就是进行频率补偿,传统的LDO采用输出电容上的ESR(Equivalent Series Resistance)来产生零点与调整管栅极上的极点相互抵消的办法使系统稳定,但ESR容易受环境,如温度等的影响,变化较大,且输出电流也被限制在很小的范围。目前很多文献中频率补偿的方法包括,密勒补偿,动态密勒补偿,增加缓冲级,使用DMOS调整管,使用电荷泵来驱动NMOS调整管等,上述方法均在不同程度上提高了电路的复杂程度,而且电路在驱动大负载的情况下对这些方法提出了挑战。
如图1所示,传统的LDO结构包括,基准电压源201,误差放大器202,输出调整管203,电阻反馈网络204,输出负载205。基准电压源201产生一个不随温度和电源电压变化的基准电压VREF,输出电压Vout通过电阻分压网络204,反馈回来一个电压Vfb,基准电压VREF和反馈电压Vfb进入误差放大器202,从而放大其差值并驱动输出调整管203,当电路建立平衡时,基准电压VREF近似等于反馈电压Vfb,此时输出负载205获得的电流是从输出调整管203拉出的。
如图1所示,设输出调整管203的输出电阻为Ro-pass,误差放大器的输出电阻为Roa,输出调整管的栅极寄生电容为Cpar,则图示的LDO结构中存在三个极点和一个零点,分别位于:P1=1/2πCoRo-pass,P2=1/2πCbResr,P3=1/2πCparRoa和Z1=1/2πCoResr系统最小的单位增益带宽受限于负载跳变时,输出电压恢复到设定值的响应时间,系统最大的单位增益带宽则受限于系统的寄生极点,如P3和误差放大器内部的极点。为了保证整个系统的稳定性,通常将寄生极点放在系统的UGF之外。另外,当输出大电流并满足低压差时,输出调整管203的尺寸必须足够大,从而其栅极寄生电容Cpar也很大,为了易于补偿,这就对误差放大器202的输出电阻Roa的值提出了限制。当负载电流最大时,由于主极点P1增加的速度(Ro-pass与负载电流呈线性反比关系)比增益减小的速度(直流增益与负载电流的平方根呈线性反比关系)快,UGF被推到更高的频率,从而可能引进寄生极点,相位裕度此时最差。对于这样一个稳定的系统而言,在UGF内只出现P1,P2和Z1,而输出电容的的类型和大小决定了P1,P2和Z1的位置,因此ESR的允许值是负载电流和电路特性的函数。
当负载电流从零跳变到最大值时,输出电压的变化受限于闭环带宽,输出电容和负载电流。环路响应时间越短,输出电压变化程度就越小,整个系统的性能就越好。环路响应时间通常与系统的闭环带宽和系统内部的转换速率有关,当内部的转换电流足够大时,响应时间主要会受系统闭环带宽影响,当然这样会消耗比较大的静态电流,从而降级设备的使用寿命。
传统的LDO结构包含了三个极点和一个零点,为了保证环路的稳定性,必须使用大的输出电容去做负载,从而增加了成本,浪费了面积。进一步的分析证明,系统的转换速率受限于输出调整管的栅极寄生电容,这就要求误差放大器有较低的输出阻抗和较高的输出电流能力,通常可以在误差放大器的输出级增加一个缓冲器,去隔离输出调整管的寄生电容和误差放大器的输出阻抗。传统的设计一般只包括了Source电流能力,而且在输出大电流的情况下,系统的补偿比较难以进行,这就会使输出的瞬态特性变差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,该种稳压器增加了Sink电流的功能,同时在满足输出大电流的情况下,能够给出系统补偿方案,使输出的瞬态特性满足需要。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:
该种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,包括基准电压源以及与基准电压源相连的误差放大器,所述误差放大器的两个输出端分别连接有偏置电路BIAS1和偏置电路BIAS2,所述偏置电路BIAS1的输出端连接有N沟道MOS管一及其采样限流电路一,所述偏置电路BIAS2的输出端连接有N沟道MOS管二及其采样限流电路二;所述N沟道MOS管一和N沟道MOS管二的输出端连接有负载电路;在所述负载电路和误差放大器之间还连接有补偿网络。
上述误差放大器的反向输入端与基准点电压源相连;所述偏置电路BIAS1的输出和N沟道MOS管一的栅极和源级相连;所述偏置电路BIAS2的输出和N沟道MOS管一的栅极相连;所述N沟道MOS管一的漏级接电压VCC,且其源级接负载电路;所述N沟道MOS管二的源极接地,且其漏级接负载电路。
上述采样限流电路一由采样管一,采样电阻和限流比较器COMP1组成;所述采样管一的漏级接电源VCC,且其源级和采样电阻的一端及限流比较器COMP1的负端相连,所述采样电阻的另一端与负载电路相连;所述限流比较器COMP1的正端与一个基准电压VREF2相连,所述限流比较器COMP1的输出与N沟道MOS管一的栅极相连;所述采样限流电路二由采样管二,采样电阻和限流比较器COMP2组成;所述采样管二的漏级接负载电路,且其源级和采样电阻的一端及限流比较器COMP2的负端相连,所述采样电阻的另一端与负载电路相连;所述限流比较器COMP2的正端与一个基准电压VREF3相连,所述限流比较器COMP2的输出与N沟道MOS管二的栅极相连;所述补偿网络由补偿电容和补偿电阻组成,所述补偿电容一端接限流比较器COMP1的负端,另一端接误差放大器的正端,所述补偿电阻的一端接负载电路,另一端接误差放大器的正端。
上述误差放大器为高增益具有双端输出的运算放大器。
上述误差放大器由P沟道MOS管M1,P沟道MOS管M2,N沟道MOS管M3,N沟道MOS管M4,P沟道MOS管M5,P沟道MOS管M6,电流偏置电路IBAS1,电流偏置电路IBAS2,电流偏置电路IBAS3组成。
所述电流偏置电路IBIAS1和电流偏置电路IBIAS2的一端均接运算放大器的电源VCC,电流偏置电路IBIAS1的另一端与P沟道MOS管M1的源端相接,电流偏置电路IBIAS2的另一端与电流偏置电路IBIAS1的另一端的源端相接,且P沟道MOS管M1的漏级和P沟道MOS管M2的漏级一起接地。P沟道MOS管M5的源极和P沟道MOS管M6的源极都接运算放大器的电源VCC,P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M6的栅极相接,且P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的漏极与P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的栅极和P沟道MOS管M1的源端相接,N沟道MOS管M4的漏极与P沟道MOS管M6的漏极相接,N沟道MOS管M4的栅极和P沟道MOS管M2的源端相接,且N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接,电流偏置电路IBIAS3的一端接地,另一端与N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接;
所述P沟道MOS管M1的栅极和P沟道MOS管M2的栅极为所述运算放大器的两个输入端,且P沟道MOS管M1的栅极与补偿网络(109)的一端相接,P沟道MOS管M2的栅极与基准电压源(101)相接。
上述偏置电路BIAS1由P沟道MOS管M9,P沟道MOS管M12和电阻R1组成;所述偏置电路BIAS2由P沟道MOS管M7,N沟道MOS管M8,N沟道MOS管M10和N沟道MOS管M11组成;
所述P沟道MOS管M7的源级接电源VCC,P沟道MOS管M7的栅级接P沟道MOS管M6和N沟道MOS管M4的漏级,P沟道MOS管M7的漏级与N沟道MOS管M8的漏级相接,且N沟道MOS管M8的栅极和N沟道MOS管M8的漏极相接,N沟道MOS管M8的源极接地;P沟道MOS管M9的源级接电源VCC,P沟道MOS管M9的栅级接P沟道MOS管M5和N沟道MOS管M3的漏级,P沟道MOS管M9的漏级与N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M10的栅极和N沟道MOS管M8的栅极相接,N沟道MOS管M10的源极和N沟道MOS管M11的漏极相接,N沟道MOS管M11的栅极和N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M11的源极接地。
进一步,上述限流比较器COMP1由电流偏置电路IBIAS4,N沟道MOS管M17,电流偏置电路IBIAS5,N沟道MOS管M18,电阻R4和P沟道MOS管M22组成;所述采样管一由N沟道MOS管M15组成;所述采样电阻由电阻R2组成;所述电流偏置电路IBIAS4的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS4的另一端接N沟道MOS管M17的漏极,且N沟道MOS管M17的栅极和N沟道MOS管M18的漏极相接,N沟道MOS管M17的源极和N沟道MOS管M15的源极相接,N沟道MOS管M15的漏极接电源VCC,N沟道MOS管M15的栅极和N沟道MOS管一的栅极相接,电阻R2的一端与N沟道MOS管M15的源极相接,电阻R2的另一端和N沟道MOS管一的源极相接,电流偏置电路IBIAS5的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS4的另一端接N沟道MOS管M18的漏极,N沟道MOS管M18的源极和电阻R4的一端相接,且R4的另一端接N沟道MOS管一的源极,P沟道MOS管M22的源极接电源VCC,P沟道MOS管M22的栅极与N沟道MOS管M18的漏极相接,P沟道MOS管M22的漏极接P沟道MOS管M12的栅极;
所述限流比较器COMP2由电流偏置电路IBIAS6,N沟道MOS管M19,电流偏置电路IBIAS7,N沟道MOS管M19,电阻R5,N沟道MOS管M21组成;所述采样管一由N沟道MOS管M16组成;所述采样电阻由电阻R3组成;所述电流偏置电路IBIAS6的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS6的另一端接N沟道MOS管M19的漏极,且N沟道MOS管M19的栅极和N沟道MOS管M20的栅极相接,N沟道MOS管M19的源极和N沟道MOS管M16的源极相接,N沟道MOS管M16的栅极和N沟道MOS管二的栅极相接,N沟道MOS管M16的漏极和N沟道MOS管二的漏极相接,电阻R3的一端与N沟道MOS管M16的源极相接,电阻R3的另一端与地相接,电流偏置电路IBIAS7的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS7的另一端接N沟道MOS管M20的漏极,且N沟道MOS管M20的漏极和N沟道MOS管M20的栅极相接,电阻R5的一端与N沟道MOS管M20的源极相接,电阻R5的另一端接地,N沟道MOS管M21的源极接地,N沟道MOS管M21的栅极与N沟道MOS管M19的源极相接,N沟道MOS管M21的漏极接N沟道MOS管M14的栅极。
本发明相比于现有技术,具有以下有益效果:
(1)首先,本发明线路设计新颖,使用方便,能够通过检测输出负载的外接(空载,Sink或Source)情况,合理的设置Class ab级的推挽输出电压,给两个输出调整管合理的偏置电压,从而控制这个系统不向外输出电流,Sink电流或Source电流。
(2)本发明新颖的Sink和Source电流限流结构,能够保证在Sink和Source电流的情况下,系统输出的最大电流在所设计的范围之内,并巧妙的运用Souce限流模块的采样电阻去做补偿的一部分,使线路在输出大负载的时候依然有良好的瞬态特性。
(3)本发明具有较高的环路增益和合理的电流偏置,使线路具有良好的负载调整率。实际测试表明,在负载电流从0A跳到3A时,输出电压的跳变在20mv以内,满足了应用的需求。
综上所述,本发明线路设计新颖,使用方便,在大的带载能力下依然有良好的瞬态特性,因而有较广的使用范围。
附图说明
图1为传统的低压差线性稳压器的原理图;
图2为本发明低压差线性稳压器的线路图;
图3为本发明低压差线性稳压去的电路原理框图。
上图中:201-基准电压源;202-误差放大器;203-输出调整管;204-电阻分压网络;205-输出负载;101-基准电压源;102-误差放大器;103-偏置电路BIAS1;104-偏置电路BIAS2;105-N沟道MOS管一;107-采样限流电路一;106-N沟道MOS管二;108-采样限流电路二;109-补偿网络;110-负载电路;107-1-采样管一;107-2-采样电阻;107-3-限流比较器COMP1;108-1-采样管二;108-2-采样电阻;108-3-限流比较器COMP2;109-1-补偿电容;109-2-补偿电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
如图3所示,本发明的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,包括基准电压源101,与基准电压源101直接相连的误差放大器102,分别和误差放大器102的两个输出端相连接的偏置电路BIAS1103和偏置电路BIAS2104,和偏置电路BIAS1103输出端相连的N沟道MOS管一105及其采样限流电路一107,和偏置电路BIAS2104输出端相连的N沟道MOS管二106及其采样限流电路二108,和负载电路110及误差放大器102相连接的补偿网络109;所述误差放大器102的反向输入端与基准点电压源101相连;所述偏置电路BIAS1103的输出和N沟道MOS管一105的栅极和源级相连;所述偏置电路BIAS2104的输出和N沟道MOS管一106的栅极相连;所述N沟道MOS管一105的漏级接电压VCC,且其源级接负载电路110;所述N沟道MOS管二106的源极接地,且其漏级接负载电路110;所述采样限流电路一107由采样管一107-1,采样电阻107-2和限流比较器COMP1107-3组成,所述采样管一107-1的漏级接电源VCC,且其源级和采样电阻107-2的一端及限流比较器COMP1107-3的负端相连,所述采样电阻107-2的另一端与负载电路110相连,所述限流比较器COMP1107-3的正端与一个基准电压VREF2相连,所述限流比较器COMP1107-3的输出与N沟道MOS管一105的栅极相连;所述采样限流电路二108由采样管二108-1,采样电阻108-2和限流比较器COMP2108-3组成,所述采样管二108-1的漏级接负载电路110,且其源级和采样电阻108-2的一端及限流比较器COMP2108-3的负端相连,所述采样电阻108-2的另一端与负载电路110相连,所述限流比较器COMP2108-3的正端与一个基准电压VREF3相连,所述限流比较器COMP2108-3的输出与N沟道MOS管二106的栅极相连;所述补偿网络109由补偿电容109-1和补偿电阻109-2组成,所述补偿电容109-1一端接限流比较器COMP1107-3的负端,另一端接误差放大器102的正端,所述补偿电阻109-2的一端接负载电路110,另一端接误差放大器102的正端。
本实施例中,所述误差放大器102为高增益具有双端输出的运算放大器。所述运算放大器由P沟道MOS管M1,P沟道MOS管M2,N沟道MOS管M3,N沟道MOS管M4,P沟道MOS管M5,P沟道MOS管M6,电流偏置电路IBAS1,电流偏置电路IBAS2,电流偏置电路IBAS3组成。
所述电流偏置电路IBIAS1和电流偏置电路IBIAS2的一端均接运算放大器的电源VCC,电流偏置电路IBIAS1的另一端与P沟道MOS管M1的源端相接,电流偏置电路IBIAS2的另一端与电流偏置电路IBIAS1的另一端的源端相接,且P沟道MOS管M1的漏级和P沟道MOS管M2的漏级一起接地。P沟道MOS管M5的源极和P沟道MOS管M6的源极都接运算放大器的电源VCC,P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M6的栅极相接,且P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的漏极与P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的栅极和P沟道MOS管M1的源端相接,N沟道MOS管M4的漏极与P沟道MOS管M6的漏极相接,N沟道MOS管M4的栅极和P沟道MOS管M2的源端相接,且N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接,电流偏置电路IBIAS3的一端接地,另一端与N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接。
所述P沟道MOS管M1的栅极和P沟道MOS管M2的栅极为所述运算放大器的两个输入端,且P沟道MOS管M1的栅极与补偿网络109的一端相接,P沟道MOS管M2的栅极与基准电压源101相接。
所述偏置电路BIAS1103包括P沟道MOS管M7,N沟道MOS管M8,P沟道MOS管M9,N沟道MOS管M10,N沟道MOS管M11,P沟道MOS管M12,电阻R1;其中所述P沟道MOS管M9,P沟道MOS管M12,电阻R1;所述偏置电路BIAS2(104)包括P沟道MOS管M7,N沟道MOS管M8,N沟道MOS管M10,N沟道MOS管M11。
所述P沟道MOS管M7的源级接电源VCC,P沟道MOS管M7的栅级接P沟道MOS管M6和N沟道MOS管M4的漏级,P沟道MOS管M7的漏级与N沟道MOS管M8的漏级相接,且N沟道MOS管M8的栅极和N沟道MOS管M8的漏极相接,N沟道MOS管M8的源极接地;P沟道MOS管M9的源级接电源VCC,P沟道MOS管M9的栅级接P沟道MOS管M5和N沟道MOS管M3的漏级,P沟道MOS管M9的漏级与N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M10的栅极和N沟道MOS管M8的栅极相接,N沟道MOS管M10的源极和N沟道MOS管M11的漏极相接,N沟道MOS管M11的栅极和N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M11的源极接地。
所述限流比较器COMP1107-3由电流偏置电路IBIAS4,N沟道MOS管M17,电流偏置电路IBIAS5,N沟道MOS管M18,电阻R4,P沟道MOS管M22组成;所述采样管一107-1由N沟道MOS管M15组成;所述采样电阻107-2由电阻R2组成;所述电流偏置电路IBIAS4的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS4的另一端接N沟道MOS管M17的漏极,且N沟道MOS管M17的栅极和N沟道MOS管M18的漏极相接,N沟道MOS管M17的源极和N沟道MOS管M15的源极相接,N沟道MOS管M15的漏极接电源VCC,N沟道MOS管M15的栅极和N沟道MOS管一105的栅极相接,电阻R2的一端与N沟道MOS管M15的源极相接,电阻R2的另一端和N沟道MOS管一105的源极相接,电流偏置电路IBIAS5的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS4的另一端接N沟道MOS管M18的漏极,N沟道MOS管M18的源极和电阻R4的一端相接,且R4的另一端接N沟道MOS管一105的源极,P沟道MOS管M22的源极接电源VCC,P沟道MOS管M22的栅极与N沟道MOS管M18的漏极相接,P沟道MOS管M22的漏极接P沟道MOS管M12的栅极。
所述限流比较器COMP2108-3由电流偏置电路IBIAS6,N沟道MOS管M19,电流偏置电路IBIAS7,N沟道MOS管M19,电阻R5,N沟道MOS管M21组成;所述采样管一108-1由N沟道MOS管M16组成;所述采样电阻108-2由电阻R3组成;所述电流偏置电路IBIAS6的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS6的另一端接N沟道MOS管M19的漏极,且N沟道MOS管M19的栅极和N沟道MOS管M20的栅极相接,N沟道MOS管M19的源极和N沟道MOS管M16的源极相接,N沟道MOS管M16的栅极和N沟道MOS管二106的栅极相接,N沟道MOS管M16的漏极和N沟道MOS管二106的漏极相接,电阻R3的一端与N沟道MOS管M16的源极相接,电阻R3的另一端与地相接,电流偏置电路IBIAS7的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS7的另一端接N沟道MOS管M20的漏极,且N沟道MOS管M20的漏极和N沟道MOS管M20的栅极相接,电阻R5的一端与N沟道MOS管M20的源极相接,电阻R5的另一端接地,N沟道MOS管M21的源极接地,N沟道MOS管M21的栅极与N沟道MOS管M19的源极相接,N沟道MOS管M21的漏极接N沟道MOS管M14的栅极。
所述补偿网络109中的补偿电容109-1由电容C1组成;所述补偿网络109中的补偿电阻109-2由电阻R6组成;电容C1的一端接P沟道MOS管M1的栅极,电容C1的另一端接N沟道MOS管M15的源极,电阻R6的一端接P沟道MOS管M1的栅极,电阻R6的另一端接N沟道MOS管一105的源极。
上述具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器的工作原理如下:
当稳压器空载的时候,基准电压源的输出VREF1和反馈回来的输出电压VOUT的值非常接近,从而误差放大器的具有两个接近相等输入端,误差放大器的两个输出端通过控制偏置电路BIAS1和偏置电路BIAS2,使N沟道MOS管一和N沟道MOS管二的栅极电压偏置在合适的值,从而使整个稳压器的输出电流为零,此时采样限流电路一和采样限流电路二均不动作。
当稳压器Source电流的时候,基准电压源的输出VREF1高于反馈回来的输出电压VOUT,从而误差放大器的两个输入端相差较大,误差放大器的两个输出端通过控制偏置电路BIAS1和偏置电路BIAS2,使N沟道MOS管一向外Source电流,此时若Source电流大于设定的值,采样限流电路一发生动作,使N沟道MOS管一的栅极降低,从而使Source电流限定在设定的值。
当稳压器Sink电流的时候,基准电压源的输出VREF1低于反馈回来的输出电压VOUT,从而误差放大器的两个输入端相差较大,误差放大器的两个输出端通过控制偏置电路BIAS1和偏置电路BIAS2,使N沟道MOS管二Sink电流,此时若Sink电流大于设定的值,采样限流电路二发生动作,使N沟道MOS管二的栅极降低,从而使Sink电流限定在设定的值。
Vout不是直接反馈到N沟道MOS管M1,而是通过采样电阻R2,补偿电容C1,补偿电阻R6反馈,其中采样电阻R2同时参与了环路的补偿。这样一个类似II型补偿的反馈网络,不仅提供了反馈的直流环路,而且对整个环路起到了很好的补偿作用,改善了瞬态的输出电压。
综上所述,本发明所述具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器包括基准电压源101,与基准电压源101直接相连的误差放大器102,分别和误差放大器102的两个输出端相连接的偏置电路BIAS1103和偏置电路BIAS2104,和偏置电路BIAS1103输出端相连的N沟道MOS管一105及其采样限流电路一107,和偏置电路BIAS2104输出端相连的N沟道MOS管二106及其采样限流电路二108,和负载电路110及误差放大器102相连接的补偿网络109;误差放大器102为双端输出,分别驱动偏置电路BIAS1103和偏置电路BIAS2104,偏置电路BIAS1103给N沟道MOS管一105提供合适的工作电压,当外接负载为Sourc接法时,N沟道MOS管一105向负载Source电流;偏置电路BIAS2104给N沟道MOS管二108提供合适的工作电压,当外接负载为Sink接法时,N沟道MOS管二108向负载Sink电流。
当空载的时候,基准电压VREF和反馈电压FB接近相等,则误差放大器102有两个接近相等的输入端,则通过偏置电路BIAS1 103和偏置电路BIAS2 104使N沟道MOS管一103和N沟道MOS管二108的栅压偏置在合适的电压下,其中N沟道MOS管一103是通过P沟道MOS管M12,电阻R1和N沟道MOS管二108进行偏置,N沟道MOS管二108则是通过P沟道MOS管M9镜像的电流,经过N沟道MOS管M10和N沟道MOS管M11获得栅压偏置,平衡的时候电流从电源经过N沟道MOS管一103和N沟道MOS管二108流到地。
当Source电流的时候,由于有经过负载流向地的电流,则输出电压Vout会低于静态无负载电流的情况,则误差放大器102的两个输入端基准电压VREF大于反馈输入电压FB,此时误差放大器102的输出通过P沟道MOS管M12,电阻R1使N沟道MOS管一103向负载Source电流。N沟道MOS管M15采样通过N沟道MOS管一103的电流,并在电阻R2上产生采样电压,同时电流源IBIAS5在电阻R4上产生一个类似基准电压的值,当R2上产生的采样电压低于R4上设定的值时,P沟道MOS管M22关断,即N沟道MOS管一103正常向负载Source电流;当R2上产生的采样电压高于R4上设定的值时,P沟道MOS管M22开始导通,从而降低N沟道MOS管一103的栅极电压,即降低N沟道MOS管一103向负载Source的电流值,如此达到平衡时,Source电流即达到了限流点不再增加。
当Sink电流的时候,由于有经过电源流向负载的电流,则输出电压Vout会高于静态无负载电流的情况,则误差放大器102的两个输入端基准电压VREF小于反馈输入电压FB,此时误差放大器102的输出通过P沟道MOS管M9,N沟道MOS管M10,N沟道MOS管M11使N沟道MOS管二108向负载Sink电流。N沟道MOS管M16采样通过N沟道MOS管二108的电流,并在电阻R3上产生采样电压,同时电流源IBIAS7在电阻R5上产生一个类似基准电压的值,当R3上产生的采样电压低于R5上设定的值时,N沟道MOS管M21关断,即N沟道MOS管二108正常向负载Sink电流;当R3上产生的采样电压高于R5上设定的值时,N沟道MOS管M21开始导通,从而降低N沟道MOS管二108的栅极电压,即降低N沟道MOS管二108向负载Sink的电流值,如此达到平衡时,Sink电流即达到了限流点不再增加。
本发明输出端只需一个10uf的陶瓷电容,即可在输出电流0A到1.5A(包括sink电流和source电流)的条件下稳定工作,且实测当负载电流从10mA突变到1.5A时,输出电压的变化小于20mV,即具有良好的负载调整率。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改,变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,包括基准电压源(101)以及与基准电压源(101)相连的误差放大器(102),其特征在于,所述误差放大器(102)的两个输出端分别连接有偏置电路BIAS1(103)和偏置电路BIAS2(104),所述偏置电路BIAS1(103)的输出端连接有N沟道MOS管一(105)及其采样限流电路一(107),所述偏置电路BIAS2(104)的输出端连接有N沟道MOS管二(106)及其采样限流电路二(108);所述N沟道MOS管一(105)和N沟道MOS管二(106)的输出端连接有负载电路(110);在所述负载电路(110)和误差放大器(102)之间还连接有补偿网络(109);
所述偏置电路BIAS1(103)由P沟道MOS管M9,P沟道MOS管M12和电阻R1组成;所述偏置电路BIAS2(104)由P沟道MOS管M7,N沟道MOS管M8,N沟道MOS管M10和N沟道MOS管M11组成;所述P沟道MOS管M7的源极接电源VCC,P沟道MOS管M7的栅极接误差放大器(102)中P沟道MOS管M6和误差放大器(102)中N沟道MOS管M4的漏极,P沟道MOS管M7的漏极与N沟道MOS管M8的漏极相接,且N沟道MOS管M8的栅极和N沟道MOS管M8的漏极相接,N沟道MOS管M8的源极接地;P沟道MOS管M9的源极接电源VCC,P沟道MOS管M9的栅极接误差放大器(102)中P沟道MOS管M5和误差放大器(102)中N沟道MOS管M3的漏极,P沟道MOS管M9的漏极与N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M10的栅极和N沟道MOS管M8的栅极相接,N沟道MOS管M10的源极和N沟道MOS管M11的漏极相接,N沟道MOS管M11的栅极和N沟道MOS管M10的漏极相接,N沟道MOS管M11的源极接地;
P沟道MOS管M12的漏极连接有电阻R1的一端,电阻R1的另一端与电压VOUT的输出端相连接,P沟道MOS管M12的源极连接有电源VCC,P沟道MOS管M12的栅极与P沟道MOS管M7的栅极相连接。
2.根据权利要求1所述的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,其特征在于,所述误差放大器(102)的反向输入端与基准电压源(101)相连;所述偏置电路BIAS1(103)的输出和N沟道MOS管一(105)的栅极和源极相连;所述偏置电路BIAS2(104)的输出和N沟道MOS管二(106)的栅极相连;所述N沟道MOS管一(105)的漏极接电压VIN,且其源极接负载电路(110);所述N沟道MOS管二(106)的源极接地,且其漏极接负载电路(110)。
3.根据权利要求2所述的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,其特征在于,所述采样限流电路一(107)由采样管一(107-1),采样电阻一(107-2)和限流比较器COMP1(107-3)组成;所述采样管一(107-1)的漏极接电源VIN,且其源极和采样电阻一(107-2)的一端及限流比较器COMP1(107-3)的负端相连,所述采样电阻一(107-2)的另一端与负载电路(110)相连;所述限流比较器COMP1(107-3)的正端与一个基准电压VREF2相连,所述限流比较器COMP1(107-3)的输出与N沟道MOS管一(105)的栅极相连;所述采样限流电路二(108)由采样管二(108-1),采样电阻二(108-2)和限流比较器COMP2(108-3)组成;所述采样管二(108-1)的漏极接负载电路(110),且其源极和采样电阻二(108-2)的一端及限流比较器COMP2(108-3)的负端相连,所述采样电阻二(108-2)的另一端接地;所述限流比较器COMP2(108-3)的正端与一个基准电压VREF3相连,所述限流比较器COMP2(108-3)的输出与N沟道MOS管二(106)的栅极相连;所述补偿网络(109)由补偿电容(109-1)和补偿电阻(109-2)组成,所述补偿电容(109-1)一端接限流比较器COMP1(107-3)的负端,另一端接误差放大器(102)的正端,所述补偿电阻(109-2)的一端接负载电路(110),另一端接误差放大器(102)的正端。
4.根据权利要求1或2所述的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,其特征在于,所述误差放大器(102)为高增益具有双端输出的运算放大器。
5.根据权利要求1所述的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,其特征在于,所述误差放大器由P沟道MOS管M1,P沟道MOS管M2,N沟道MOS管M3,N沟道MOS管M4,P沟道MOS管M5,P沟道MOS管M6,电流偏置电路IBIAS1,电流偏置电路IBIAS2,电流偏置电路IBIAS3组成;
所述电流偏置电路IBIAS1和电流偏置电路IBIAS2的一端均接电源VCC,电流偏置电路IBIAS1的另一端与P沟道MOS管M1的源极相接,电流偏置电路IBIAS2的另一端与P沟道MOS管M2的源极相连,且P沟道MOS管M1的漏极和P沟道MOS管M2的漏极一起接地;P沟道MOS管M5的源极和P沟道MOS管M6的源极都接电源VCC,P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M6的栅极相接,且P沟道MOS管M5的栅极和P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的漏极与P沟道MOS管M5的漏极相接,N沟道MOS管M3的栅极和P沟道MOS管M1的源极相接,N沟道MOS管M4的漏极与P沟道MOS管M6的漏极相接,N沟道MOS管M4的栅极和P沟道MOS管M2的源极相接,且N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接,电流偏置电路IBIAS3的一端接地,另一端与N沟道MOS管M3的源极和N沟道MOS管M4的源极相接;
所述P沟道MOS管M1的栅极和P沟道MOS管M2的栅极为所述误差放大器的两个输入端,且P沟道MOS管M1的栅极与补偿网络(109)的一端相接,P沟道MOS管M2的栅极与基准电压源(101)相接。
6.根据权利要求3所述的具有Sink和Source电流能力的低压差线性稳压器,其特征在于,
所述限流比较器COMP1(107-3)由电流偏置电路IBIAS4,N沟道MOS管M17,电流偏置电路IBIAS5,N沟道MOS管M18,电阻R4和P沟道MOS管M22组成;所述采样管一(107-1)由N沟道MOS管M15组成;所述采样电阻一(107-2)由电阻R2组成;所述电流偏置电路IBIAS4的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS4的另一端接N沟道MOS管M17的漏极,且N沟道MOS管M17的栅极和N沟道MOS管M17的漏极相接,N沟道MOS管M17的源极和N沟道MOS管M15的源极相接,N沟道MOS管M15的漏极接电源VIN,N沟道MOS管M15的栅极和N沟道MOS管一(105)的栅极相接,电阻R2的一端与N沟道MOS管M15的源极相接,电阻R2的另一端和N沟道MOS管一(105)的源极相接,电流偏置电路IBIAS5的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS5的另一端接N沟道MOS管M18的漏极,M18的栅极与M17的栅极相接,N沟道MOS管M18的源极和电阻R4的一端相接,且R4的另一端接N沟道MOS管一(105)的源极,P沟道MOS管M22的源极接电源VCC,P沟道MOS管M22的栅极与N沟道MOS管M18的漏极相接,P沟道MOS管M22的漏极接P沟道MOS管M12的栅极;
所述限流比较器COMP2(108-3)由电流偏置电路IBIAS6,N沟道MOS管M19,电流偏置电路IBIAS7,N沟道MOS管M20,电阻R5,N沟道MOS管M21组成;所述采样管二(108-1)由N沟道MOS管M16组成;所述采样电阻二(108-2)由电阻R3组成;所述电流偏置电路IBIAS6的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS6的另一端接N沟道MOS管M19的漏极,且N沟道MOS管M19的栅极和N沟道MOS管M20的栅极相接,N沟道MOS管M19的源极和N沟道MOS管M16的源极相接,N沟道MOS管M16的栅极和N沟道MOS管二(106)的栅极相接,N沟道MOS管M16的漏极和N沟道MOS管二(106)的漏极相接,电阻R3的一端与N沟道MOS管M16的源极相接,电阻R3的另一端与地相接,电流偏置电路IBIAS7的一端接电源VCC,电流偏置电路IBIAS7的另一端接N沟道MOS管M20的漏极,且N沟道MOS管M20的漏极和N沟道MOS管M20的栅极相接,电阻R5的一端与N沟道MOS管M20的源极相接,电阻R5的另一端接地,N沟道MOS管M21的源极接地,N沟道MOS管M21的栅极与N沟道MOS管M19的漏极相接,N沟道MOS管M21的漏极接N沟道MOS管M16的栅极。
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