CN102645950A - 一种应用于低压差调整器的缓冲器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电源管理电路领域，提供了一种应用于低压差调整器的缓冲器，缓冲器包括PMOS源跟随器、第一电流镜、第二电流镜和负反馈电路。在本发明中，通过设计一个可动态偏置且带负反馈的PMOS源跟随器，以达到缓冲器的输出阻抗跟随输出负载电流增大而减小的作用，改善环路的稳定性。

Description

一种应用于低压差调整器的缓冲器
技术领域
本发明属于电源管理电路领域，尤其涉及一种应用于低压差调整器的缓冲器。
背景技术
低压差电压调整器(low-dropout regulator，LDO)是一种电源管理模块，其广泛应用于手持设备和便携式电子产品中。LDO的核心部分由误差放大器、缓冲器和PMOS功率管MP等三个基本模块组成。图1为LDO的典型电路结构图，其中的缓冲器(buffer)用于驱动PMOS功率管MP，其对于改善LDO的瞬态响应性能和提高整个环路的稳定性起着非常重要的作用。所以，在LDO的设计过程中，设计好缓冲器电路是十分必要的。
现有技术中，有一种改进型的PMOS源跟随器构成的缓冲器，如图2所示，其由PMOS功率管Mp13动态监测LDO输出负载电流的变化，通过由NMOS功率管Mn11、Mn12、PMOS功率管Mp11、Mp12组成的电流镜改变PMOS源跟随器的静态工作电流I4。此种改进虽然能够改善环路的相位裕度和LDO的瞬态响应性能，但是在输出电容Co比较小的情况下，LDO需要输出大负载电流，使得主极点Po往高频移动，为了获得足够的环路相位裕度，电导gms必须增大，则静态工作电流I4必须增大；同时，为了避免节点N1的电压过低，影响正常工作，就必须增大PMOS源跟随器的宽长比，而这样又会使极点P1向低频段移动，影响环路的稳定性。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种应用于低压差调整器的缓冲器，旨在解决现有技术中低压差电压调整器环路存在稳定性差的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种应用于低压差调整器的缓冲器，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，所述缓冲器包括：
PMOS源跟随器，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，用于输出负载电流给PMOS功率管；
第一电流镜，分别接电源端、偏置电压端和PMOS源跟随器，用于为所述PMOS源跟随器提供偏置电流；
第二电流镜，分别接第一电流镜和PMOS源跟随器，用于为所述PMOS源跟随器提供偏置电流；以及
负反馈电路，用于将PMOS源跟随器输出的负载电流负反馈给PMOS源跟随器，以减少缓冲器的输出阻抗。
在本发明实施例中，通过设计一个可动态偏置且带负反馈的PMOS源跟随器，以达到缓冲器的输出阻抗跟随输出负载电流增大而减小的作用，改善环路的稳定性。
附图说明
图1是低压差电压调整器的结构图；
图2是现有的应用于低压差调整器的缓冲器的结构图；
图3是本发明第一实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的电路原理框图；
图4是本发明第一实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的示例电路图；
图5是本发明第二实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的电路原理框图；
图6是本发明第二实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的示例电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
通过设计一个可动态偏置且带负反馈的PMOS源跟随器，以达到缓冲器的输出阻抗跟随输出负载电流增大而减小的作用，改善环路的稳定性。
图3示出了本发明第一实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的电路原理框图。
应用于低压差调整器的缓冲器，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，缓冲器包括：
PMOS源跟随器100，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，用于输出负载电流给PMOS功率管；
第一电流镜200，分别接电源端、偏置电压端和PMOS源跟随器100，用于为PMOS源跟随器100提供偏置电流；
第二电流镜300，分别接第一电流镜200和PMOS源跟随器100，用于为PMOS源跟随器100提供偏置电流；以及
负反馈电路400，用于将PMOS源跟随器100输出的负载电流负反馈给PMOS源跟随器100，以减少缓冲器的输出阻抗。
图4示出了本发明第一实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的示例电路结构。
作为本发明一实施例，第一电流镜200为共栅共源级电流镜，包括PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2，PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2的源极同时接电源端，PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2的栅极同时接偏置电压端。
作为本发明一实施例，第二电流镜300为共栅共源级电流镜，包括NMOS功率管Mn1和NMOS功率管Mn2，NMOS功率管Mn1和NMOS功率管Mn2的源极同时接地，NMOS功率管Mn1的栅极和NMOS功率管Mn2的栅极连接，NMOS功率管Mn1的栅极和漏极连接，NMOS功率管Mn1的漏极接PMOS功率管Mp1的漏极。
作为本发明一实施例，PMOS源跟随器100由PMOS功率管Ms构成，PMOS功率管Ms的栅极接误差放大器，PMOS功率管Ms的源极接PMOS功率管Mp2的漏极和PMOS功率管，PMOS功率管Ms的漏极接NMOS功率管Mn2的漏极。
作为本发明一实施例，负反馈电路400由NMOS功率管Mn3构成，NMOS功率管Mn3的漏极接PMOS功率管Ms的源极，NMOS功率管Mn3的源极接地。
工作原理是：当缓冲器的输入电压恒定不变，缓冲器的输出电压增加时，PMOS功率管Ms的电流Is增加，同时NMOS功率管Mn3的电压Vgs也跟着增加，因此电流In3增加，此时输出电流增加而导致输出电阻减小。其输出阻抗可由下式来描述：
Ro＝1/(gms*gmn3*ros)
其中gms和gmn3分别对应着PMOS功率管Ms和NMOS功率管Mn3的电导，ros为PMOS功率管Ms的输出阻抗。由此可知，NMOS功率管Mn3的负反馈使输出电阻约减小至原来的1/(gmn3*ros)。因此，相对于以前来说，在取得同样大小的缓冲器输出阻抗时，PMOS功率管Ms的静态电流Is要小很多，于是所需要的宽长比尺寸要小很多，极点P1就会移向高频，这样就保证LDO能够在输出电容比较小情况下，环路稳定性很好。
图5示出了本发明第二实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的电路原理框图。
作为本发明一实施例，缓冲器除了第一实施例提供的结构之外，还包括：
第三电流镜500，分别接电源端、PMOS源跟随器100和负反馈电路400，用于检测PMOS源跟随器100输出的负载电流变化，以便第一电流镜200和第二电流镜300根据负载电流变化，调整PMOS源跟随器100和负反馈电路400的偏置电流。
图6示出了本发明第二实施例提供的应用于低压差调整器的缓冲器的示例电路结构。
作为本发明一实施例，第三电流镜500为共栅共源级电流镜，包括PMOS功率管Mp3和PMOS功率管Mp4，PMOS功率管Mp3的栅极和PMOS功率管Mp4的栅极同时接NMOS功率管Mn3的漏极，PMOS功率管Mp3和PMOS功率管Mp4的源极同时接电源端，PMOS功率管Mp3的漏极接PMOS功率管Mp1的漏极，PMOS功率管Mp4的漏极接PMOS功率管Ms的源极。
工作原理是：
相对于图4来说，该实施例增加了PMOS功率管Mp3和PMOS功率管Mp4用来检测负载电流的变化，同时改变PMOS功率管Ms和NMOS功率管Mn3的偏置电流，以达到改变缓冲器输出阻抗的目的。
其输出阻抗可由下式来描述：
Ro＝1/(gms*gmn3*ros+gmp4)
其中gmp4对应着PMOS功率管Mp4的电导。由此可知，在输出负载电流增大的情况下，该缓冲器的输出阻抗随着减小，可以使极点P2往高频段移动，改善环路的相位裕度。同时，由于PMOS功率管Ms和NMOS功率管Mn3的偏置电流可以跟随输出负载电流变化而变动，因此具有非常好的瞬态响应特性。
在本发明实施例中，通过设计一个可动态偏置且带负反馈的PMOS源跟随器，以达到缓冲器的输出阻抗跟随输出负载电流增大而减小的作用，改善环路的稳定性。同时，由于设置了第三电流镜，使得PMOS功率管Ms和NMOS功率管Mn3的偏置电流可以跟随输出负载电流变化而变动，因此具有非常好的瞬态响应特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于低压差调整器的缓冲器，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，其特征在于，所述缓冲器包括：
PMOS源跟随器，连接在误差放大器和PMOS功率管之间，用于输出负载电流给PMOS功率管；
第一电流镜，分别接电源端、偏置电压端和PMOS源跟随器，用于为所述PMOS源跟随器提供偏置电流；
第二电流镜，分别接第一电流镜和PMOS源跟随器，用于为所述PMOS源跟随器提供偏置电流；以及
负反馈电路，用于将PMOS源跟随器输出的负载电流负反馈给PMOS源跟随器，以减少缓冲器的输出阻抗。
2.如权利要求1所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述缓冲器还包括：
第三电流镜，分别接电源端、PMOS源跟随器和负反馈电路，用于检测PMOS源跟随器输出的负载电流变化，以便第一电流镜和第二电流镜根据所述负载电流变化，调整所述PMOS源跟随器和负反馈电路的偏置电流。
3.如权利要求2所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述第一电流镜为共栅共源级电流镜，包括PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2，所述PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2的源极同时接电源端，所述PMOS功率管Mp1和PMOS功率管Mp2的栅极同时接偏置电压端。
4.如权利要求3所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述第二电流镜为共栅共源级电流镜，包括NMOS功率管Mn1和NMOS功率管Mn2，所述NMOS功率管Mn1和NMOS功率管Mn2的源极同时接地，所述NMOS功率管Mn1的栅极和NMOS功率管Mn2的栅极连接，所述NMOS功率管Mn1的栅极和漏极连接，所述NMOS功率管Mn1的漏极接PMOS功率管Mp1的漏极。
5.如权利要求4所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述PMOS源跟随器由PMOS功率管Ms构成，所述PMOS功率管Ms的栅极接所述误差放大器，所述PMOS功率管Ms的源极接PMOS功率管Mp2的漏极和PMOS功率管，所述PMOS功率管Ms的漏极接NMOS功率管Mn2的漏极。
6.如权利要求5所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述负反馈电路由NMOS功率管Mn3构成，所述NMOS功率管Mn3的漏极接PMOS功率管Ms的源极，所述NMOS功率管Mn3的源极接地。
7.如权利要求6所述的应用于低压差调整器的缓冲器，其特征在于，所述第三电流镜为共栅共源级电流镜，包括PMOS功率管Mp3和PMOS功率管Mp4，所述PMOS功率管Mp3的栅极和PMOS功率管Mp4的栅极同时接NMOS功率管Mn3的漏极，所述PMOS功率管Mp3和PMOS功率管Mp4的源极同时接电源端，所述PMOS功率管Mp3的漏极接PMOS功率管Mp1的漏极，所述PMOS功率管Mp4的漏极接PMOS功率管Ms的源极。
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