CN102915060A - 低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明的各个实施例提供了调节输出电压的装置和方法。例如，讨论了一种包括低压差稳压器的装置，该低压差稳压器具有传输晶体管和放大器并可操作来基于反馈信号和前馈信号调节输出电压。该装置还包括具有辅助传输晶体管和辅助放大器的辅助低压差稳压器。该辅助压降稳压器可操作来产生前馈信号并且基本上与该放大器匹配。

Description

低压差线性稳压器

技术领域

背景技术

低压差或者LDO线性电压稳压器是被设计来提供稳定的直流(DC)输出电压的电子电路，而不管输入电压的变化和负载阻抗。即使对于相对小的输入电压和输出电压之间的差异，LDO稳压器也能够保持输出调节。例如，在调节电池电压时，对于输入电压的范围从高电池电压下至略大于输出电压的电压电平，LDO稳压器能够保持稳定的输出电压。典型的LDO稳压器可以使用场效应晶体管(FET)作为电流传输元件，FET表现为电阻器，并使其端子之间的电压下降，以保持期望的输出电压。当负载电流或者输入电压变化时，FET的栅极-源极电压由控制电路调整以保持输出稳定。只要FET具有最小电阻值，FET就工作在线性区，但是，如果控制电路使FET工作在低于该最小电阻值，则FET进入饱和区，LDO发生电压下降。一般地，对于LDO稳压器而言，下降电压应该尽可能地小。

LDO稳压器的另一重要特性是其电源抑制，即阻止来自电源的噪声的能力。常规的LDO的电源抑制取决于稳压器的环增益。因为环稳定性限制了可用的环增益，所以由于受限的环增益而造成难以在高频实现高电源抑制。一种提高电源抑制的技术是包括由电阻-电容网络组成的RC滤波器来过滤稳压器输入端的电源噪声。然而，使用RC滤波器来增加电源抑制也导致了高下降电压。另一提高电源抑制的技术是使用级联的NMOS和PMOS传输元件，其中NMOS传输元件的栅电压被电荷泵拉高到高于电源电压。但是，这种技术增加了电路的复杂性，并导致高功耗。

另一提高LDO稳压器中的电源抑制的技术是使用前馈路径来消除输入端的来自电源的纹波。一般地，在LDO稳压器中，直流参考电压被用来设定输出电压。在带有前馈的LDO稳压器中，联合使用前馈路径和直流参考电压来消除输入纹波。如图1中所示，传输元件10由主误差放大器路径12和前馈路径14的组合所控制。主误差放大器路径12将输出16处的电压同直流参考电压20进行比较，以产生反馈信号22。前馈路径14使用另外的放大器(例如26)和电阻器(例如，30和32)以及电容器(例如34)来产生前馈信号24。前馈信号24包含来自电源36的纹波噪声的表示，该纹波噪声同反馈信号22在放大器40中组合在一起，以实现高电源抑制。

但是，由于前馈路径14中RC值变化较大，使用放大器(例如，26)和电阻器(例如，30和32)以及电容器(例如34)所产生的前馈信号24易于受工艺-电压-温度(PVT)变化的影响。另外，当主放大器40的增益被修改时，前馈路径14应当相应地被调整，这样增加了LDO稳压器42的复杂性。

发明内容

本发明的各个实施例提供了调节输出电压的装置和方法。例如，讨论了一种包括低压差稳压器的装置，该低压差稳压器具有传输晶体管和放大器并可操作来基于反馈信号和前馈信号调节输出电压。该装置还包括具有辅助传输晶体管和辅助放大器的辅助低压差稳压器。辅助低压差稳压器可操作来使用放大器产生前馈信号，该放大器与主低压差稳压器中的放大器基本上匹配，但是在一些情形中，它们的尺寸是不同的，以减少辅助低压差稳压器中的功率使用。在各个实例中，该装置包括连接到放大器和辅助放大器的直流参考电压输入。该低压差稳压器可操作来将输出电压调节为由直流参考电压输入所确立的电平。在一些情形中，前馈信号被具有单位增益的反相器反相。在其它的示例中，该装置包括连接到反馈信号和前馈信号的加法器，该加法器输出连接到放大器。在又其它示例中，放大器为可操作来将反馈信号和前馈信号组合的多输入放大器。在一些实例中，低压差稳压器中的多输入放大器具有连接到直流参考电压的两个反相输入和连接到反馈信号和前馈信号的两个非反相输入。在一些实例中，多输入辅助放大器具有连接到直流参考电压的两个反相输入和一个非反相输入以及连接到前馈信号的一个非反相输入。

在之前提到的实施例的一些实例中，多输入放大器和辅助多输入放大器为差分单级放大器，该单级放大器具有运算放大器有源负载和多个源极跟随器输入，其可操作来将多个非反相输入和多个反相输入组合。在其他的实例中，多输入放大器和辅助多输入放大器为具有运算放大器有源负载和多个并联差分输入级的差分单级放大器。

之前提到的各个实施例包括在低压差稳压器和辅助低压差稳压器的输出处的分压器，以产生反馈信号和前馈信号。在一些实例中，分压器具有相同的分压比。

在之前提到的实施例的一些实例中，输出电容器和输出电流源连接到低压差稳压器和辅助低压差稳压器的输出，辅助低压差稳压器中的输出电流源产生比低压差稳压器中的输出电流源低的电流水平。

本发明的其它实施例提供了调节输出电压的方法。该方法包括使用低压差稳压器控制电源和电压输出之间的传输元件上的电压降；使用辅助低压差稳压器产生前馈信号；以及将低压差稳压器中的反馈信号与前馈信号进行组合。辅助低压差稳压器中的第一放大器与低压差稳压器中的第二放大器匹配。在一些实例中，将低压差稳压器中的反馈信号与前馈信号进行组合可操作来消除电压输出中的来自电源的电源噪声。该方法的一些实施例包括对前馈信号进行反相。在一些实例中，流过低压差稳压器的电流大于流过辅助低压差稳压器的第二电流。

该发明内容仅提供了一些特定实施例的概要。从下面的详细说明、所附的权利要求和附图中，许多其它目标、特征、优势以及其它实施例将变得更加充分地显而易见。

附图说明

参照在本说明书的余下部分描述的附图，能够进一步理解各种实施例。在这些附图中，相同的参考数字在若干附图中指示相同的部件。

图1描绘了现有技术中的具有前馈路径的LDO稳压器，前馈路径包括放大器和RC网络。

图2描绘了根据一些实施例的使用辅助稳压器的具有前馈路径的LDO稳压器，辅助稳压器使用与主稳压器相同的放大器，并且在前馈路径中具有反相器。

图3描绘了根据一些实施例的具有源极跟随器缓冲器的单级放大器，该单级放大器可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。

图4描绘了根据一些实施例的具有前馈路径的LDO稳压器，其将反馈信号和前馈信号组合而不用反相器。

图5描绘了根据一些实施例的具有多输入辅助稳压器和主稳压器的另一LDO稳压器，其将反馈信号和前馈信号组合而不用反相器。

图6描绘了根据一些实施例的具有源极跟随器缓冲器的多输入放大器，其可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。

图7描绘了根据一些实施例的具有并联输入级的多输入放大器，其可以用作LDO稳压器的辅助稳压器和主稳压器中的放大器。

图8为根据一些实施例的抑制LDO稳压器中的电源噪声的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的各种实施例提供了调节输出电压的装置和方法，包括具有用于高电源抑制的前馈路径的低压差(LDO)线性稳压器。LDO稳压器使用另外的辅助LDO稳压器来产生前馈信号，辅助LDO稳压器具有与主LDO稳压器中使用的相同的放大器。辅助LDO稳压器中的传输晶体管可以小于主LDO稳压器中的传输晶体管，以将功率使用最小化，同时通过在主稳压器和辅助稳压器中使用匹配的放大器来提供高电源抑制。另外，通过在主稳压器和辅助稳压器中使用相同的放大器，简化了放大器增益的调节。

现在参见附图2，具有高电源抑制的LDO线性稳压器100的示例包括主LDO稳压器102，以调节输出104处的电压，同时抑制来自电源106的噪声。辅助LDO稳压器110产生前馈信号112，前馈信号在同主LDO稳压器102的反馈信号114组合之前被例如反相器116反相。由于该电路工作在模拟模式，所以反相器116改变AC信号的极性而不改变直流电压。因而，电源噪声在辅助LDO稳压器110中以与在主LDO稳压器102中相同的方式被放大，并在主LDO稳压器102中以反相的形式被组合，从而消除输出104中的来自电源106的噪声。通过在主LDO稳压器102和辅助LDO稳压器110中使用相同的放大器120和122以及关联的部件，辅助LDO稳压器110中的噪声的放大与主LDO稳压器102中的噪声的放大匹配。

尽管主LDO稳压器102和辅助LDO稳压器110被匹配，但是它们并不限于本文给出的示例，并且可以选择当前已知的或者将来被开发出的任何LDO稳压器结构。为了说明的目的，在图2的示例实施例中，主LDO稳压器102使用P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(P沟道MOSFET)或者PMOS晶体管124作为传输元件，其源极126连接到电源106，漏极130连接到输出104，栅极132连接到放大器120的输出。反馈信号114是由分压器产生的输出104的分压形式，分压器由串联连接在输出104和地140之间的电阻器134和电阻器136组成，反馈信号114取自于电阻器134和136之间的节点142。反馈信号114连接到非反相输入144，反相的前馈信号112连接到放大器120的反相输入146。输出电容器150和输出电流源152以及任何负载(未示出)并联连接在输出104和地140之间。

当孤立地考虑时，主LDO稳压器102的行为由下面的公式1和2描述：

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=\left(\frac{(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}}{R_{\mathrm{out}}+(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}}\right)\frac{(1+g_m{R}_{\mathrm{out}})}{1+A_{\mathrm{reg}}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{dd}}\left(s\right)$ 公式1

其中 $A_{\mathrm{reg}}\left(s\right)=g_m[R_{\mathrm{out}}//(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}]\left(\frac{R_{f2}}{R_{f1}+R_{f2}}\right)A\left(s\right)$ 公式2

其中：

R_f1：反馈电阻器134的电阻值

R_f2：反馈电阻器136的电阻值

C_out：输出电容器150

g_m：晶体管124的跨导

R_out：晶体管124的电阻值

A(s)：放大器120的传递函数

V_dd(s)：电源106的电压

当反馈信号114的电压上升到高于反相的前馈信号112的电压时，放大器120的输出上升，并且晶体管124上的压降增加，导致输出104处的电压下降。当反馈信号114的电压下降到低于反相的前馈信号112的电压时，放大器120的输出下降，晶体管124上的压降降低，从而使输出104处的电压升高。同样，可以选择任何类型的LDO稳压器和匹配的辅助LDO稳压器110，以提供高电源抑制。例如，在各种类型的LDO稳压器中，传输元件可以包括共源PMOS晶体管、级联NMOS和PMOS、NMOS跟随器、NPN达林顿管、NPN跟随器、共发射极横向PNP等。

虽然辅助LDO稳压器110基本上同主LDO稳压器102匹配，但是输出电流可以被限制以降低功率使用。因此，辅助LDO稳压器110包括PMOS154作为电源106和辅助输出160之间的传输元件，其源极156连接到电源106，漏极158连接到辅助输出160，栅极162连接到放大器122的输出。前馈信号112还被用作辅助LDO稳压器110中的反馈信号，并且为辅助输出160的分压形式。前馈信号112由分压器从辅助输出160中产生，该分压器由串联连接在辅助输出160和地140之间的电阻器166和电阻器170组成，其中前馈信号112取自于电阻器166和170之间的节点172。前馈信号112连接到非反相输入174。参考电压V_ref180连接到放大器122的反相输入182并被用来设定辅助输出160处的直流电压电平(并且因此设定主LDO稳压器102的输出104处的直流电压电平)。辅助输出电容器184和辅助输出电流源186连接在辅助输出160和地140之间。虽然辅助输出160将基本上跟随输出104的期望电压，但是其不具有输出104的由反相的前馈信号112提供的高电源抑制。

现在参照图3，示出了具有源极跟随器缓冲器192的单级放大器190，其可以适于用作具有高电源抑制的LDO稳压器的一些实施例的放大器120和放大器122。然而，放大器120和放大器122并不限于图3中所示的示例放大器结构。非反相输入194控制第一输入NMOS晶体管196。反相输入200控制与第一晶体管196并联的第二NMOS晶体管202。电流源204连接在晶体管196的源极206和晶体管202的源极210以及地212之间，并提供恒定的尾电流，该尾电流在晶体管196和202之间划分。电流镜214连接到晶体管196的漏极216和晶体管202的漏极220，并为放大器190提供有源负载。电流镜214包括二极管形式连接的PMOS晶体管222，其漏极224和栅极226连接到晶体管196的漏极216，其源极230连接到电源232。电流镜214还包括从动PMOS晶体管234，其漏极236连接到晶体管202的漏极220，源极240连接到电源232，栅极242连接到晶体管222的漏极224和栅极226。

在工作期间，电流镜214迫使流过晶体管222和234的电流相等。当非反相输入194处的电压超过反相输入200处的电压时，与晶体管202相比，来自电流源204的更多电流被转移通过晶体管196，并且电流镜214迫使放大器190的输出244吸收(sink)额外电流，从而增加了输出244处的电压。相反地，当反相输入200处的电压超过非反相输入194处的电压时，流过晶体管202的电流增加，流过晶体管196的电流降低。电流镜214驱动流过晶体管234的电流类似降低，从而迫使输出244给出(source)额外的电流，从而降低输出244处的电压。源极跟随器缓冲器192包括NMOS晶体管250，其漏极252连接到电源232，源极254连接到输出256。晶体管250的栅极260连接到单级放大器190的输出244。电流源262连接在输出256和地212之间。放大器器190和源极跟随器缓冲器192将差分输入转换为单端输出256，其电压与非反相输入194和反相输入200之间的差成比例。

尽管在辅助LDO稳压器110中使用与主LDO稳压器102的放大器120相同的放大器122，但是流过PMOS154的电流可以被最小化以降低功率使用。这可以通过如下方式来实现，例如，选择面积比主LDO稳压器102中的晶体管124的面积小的PMOS154，将辅助输出电流源186调节到其电流水平低于主LDO稳压器102中的输出电流源152的电流水平。因此，辅助输出160可以被设定在期望的电压电平，同时使用更低的电流，因为辅助输出160不驱动外部负载。

在图2的实施例中，辅助LDO稳压器110中的分压器电阻器166和170适于按与主LDO稳压器102中的分压器电阻器134和136对输出104进行分压的比率相同的比率对辅助输出160进行分压。假定反相器116具有单位增益，那么这使反相的前馈信号112中的反相纹波在输出104处消除了来自电源106的纹波。在其它的实施例中，前馈信号112可以以不同的比率被划分，相应地调整反相器116的增益，并且根据需要调整参考电压V_ref180以及向前馈信号112施加直流偏置。

一般地，参考电压V_ref为LDO稳压器的直流参考值。然而，如下面的公式3、4和5所示，当使用前馈信号而不是V_ref时，在公式1的末尾增加了额外的项，得到了下面的公式3，当V_ref(s)被设定为-1/A(s)xV_dd(s)时，消除了电源噪声。公式3、4和5描述了主LDO稳压器102的行为，其中V_ref(s)为放大器120的反相输入146处的信号。

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=\left(\frac{(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}}{R_{\mathrm{out}}+(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}}\right)[\frac{(1+g_m{R}_{\mathrm{out}})}{1+A_{\mathrm{reg}}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{dd}}\left(s\right)+\frac{g_m{R}_{\mathrm{out}}A\left(s\right)}{1+A_{\mathrm{reg}}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{ref}}\left(s\right)]$ 公式3

$A_{\mathrm{reg}}\left(s\right)=g_m[R_{\mathrm{out}}//(R_{f1}+R_{f2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}}}]\left(\frac{R_{f2}}{R_{f1}+R_{f2}}\right)A\left(s\right)$ 公式4

当

公式5

时，V_out(s)＝0

其中：

R_f1：反馈电阻器134的电阻值

R_f2：反馈电阻器136的电阻值

C_out：输出电容器150

g_m：晶体管124的跨导

R_out：晶体管124的电阻值

A(s)：放大器120的传递函数

V_dd(s)：电源106的电压

V_ref(s)：放大器120的反相输入146处的参考信号

V_out(s)：电源噪声

假定辅助LDO稳压器110的拓扑结构与主LDO稳压器102相同，并且放大器122和120匹配，那么类似的公式描述辅助LDO稳压器110的行为，并可以被用来导出期望的前馈信号：

$V_{\mathrm{out}2}\left(s\right)=\left(\frac{(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}2}}}{R_{\mathrm{out}2}+(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}2}}}\right)\frac{(1+g_{m2}{R}_{\mathrm{out}2})}{1+A_{\mathrm{reg}2}\left(s\right)}{V}_{\mathrm{dd}}\left(s\right)$ 公式6

其中 $A_{\mathrm{reg}2}\left(s\right)=g_{m2}[R_{\mathrm{out}2}//(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}2}}]\left(\frac{R_{\mathrm{feed}2}}{R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2}}\right)A\left(s\right)$ 公式7

当g_m2R_out2＞＞1时，

$V_{\mathrm{out}2}\left(s\right)=\frac{g_{m2}}{1+A_{\mathrm{reg}2}\left(s\right)}[R_{\mathrm{out}2}//(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}2}}]V_{\mathrm{dd}}\left(s\right)$ 公式8

因此，

$v_{\mathrm{feed}}\left(s\right)=\frac{R_{\mathrm{feed}2}}{R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2}}{V}_{\mathrm{out}2}\left(s\right)$

$=\frac{g_{m2}\left(\frac{R_{\mathrm{feed}2}}{R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2}}\right)[R_{\mathrm{out}2}//(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{{\mathrm{sC}}_{\mathrm{out}2}}]}{1+g_{m2}\left(\frac{R_{\mathrm{feed}2}}{R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2}}\right)[R_{\mathrm{out}2}//(R_{\mathrm{feed}1}+R_{\mathrm{feed}2})//\frac{1}{{\mathrm{sC}}_{\mathrm{out}2}}]A\left(s\right)}{V}_{\mathrm{dd}}\left(s\right)$

$\≈\frac{1}{A\left(s\right)}{V}_{\mathrm{dd}}\left(s\right)$ 公式9

其中：

A(s)：放大器122的传递函数

V_dd(s)：电源106的电压

R_feed1：辅助反馈电阻器166的电阻值

R_feed2：辅助反馈电阻器170的电阻值

C_out2：辅助输出电容器184

g_m2：晶体管154的跨导

R_out2：晶体管154的电阻值

V_out2(s)：辅助输出160处的电源噪声

V_feed(s)：节点172处的前馈信号112

因此，如公式9所示，辅助LDO稳压器110可以被用来产生前馈信号112，当该信号被反相时，其提供在公式5中计算出的参考电压，从而消除输出104中的电源噪声。

前馈信号112可以以任何适当的方式被反相。例如，如图2中所示，前馈信号112可以由具有单位增益的反相器116反相。在一些实施例中，反相器116包括放大器270，其在非反相输入272处连接到参考电压V_ref180，前馈信号112通过电阻器276连接到反相输入274。反馈电阻器280连接在放大器270的反相输入274和输出282之间。在一些实施例中，通过使用具有相同电阻值的电阻器276和280，反相器116被配置为具有单位增益。反相的前馈信号112出现在放大器270的输出282处，并连接到主LDO稳压器102中的放大器120的反相输入146。

现在参照图4，示出了LDO稳压器的一个实施例，其将来自辅助LDO稳压器304的前馈信号302与主LDO稳压器310中的反馈信号306在主LDO稳压器310中的放大器312的同一端口处组合，在该例子中为非反相输入314。通过将前馈信号302与反馈信号306组合，无需反相器即消除电源噪声。

主LDO稳压器310包括PMOS晶体管320，作为电源322和输出324之间的传输元件。晶体管320的源极326连接到电源322，漏极330连接到输出324，栅极332连接到放大器312的输出。反馈信号306为输出324的分压形式，由分压器产生，该分压器由串联连接在输出324和地340之间的电阻器334和电阻器336构成。参考电压信号V_ref342连接到放大器312的反相输入344，以设定输出324的期望电压电平。输出电容器346和输出电流源350以及任何负载(未示出)并联连接在输出324和地340之间。

与上述其他实施例一样，虽然辅助LDO稳压器304中的放大器352与主LDO稳压器310中的放大器312匹配，但是辅助输出354处的电流可以较低，以最小化功率使用。辅助LDO稳压器304包括PMOS晶体管360，作为传输元件连接在电源322和辅助输出354之间。晶体管360的源极362连接到电源322，漏极364连接到辅助输出354，栅极366连接到放大器352的输出。前馈信号302还被用作辅助LDO稳压器304中的反馈信号，并且为辅助输出354的分压形式。前馈信号302由分压器从辅助输出354产生，该分压器由串联连接在辅助输出354和地340之间的电阻器370和电阻器372构成。前馈信号302连接到放大器352的非反相输入374。用于主LDO稳压器310中的放大器312的相同的参考电压V_ref342连接到放大器352的反相输入376，并被用来设定辅助输出354处的直流电压电平。辅助输出电容器380和辅助输出电流源382连接在辅助输出354和地340之间。虽然辅助输出354基本上跟随输出324的期望电压，但是其不具有由前馈信号302提供的输出324的高电源抑制。

前馈信号302可以以任何适当的方式与反馈信号306组合，例如在独立的电路元件中进行组合，例如加法器384、放大器或者任何其它合适的组合前馈信号302的AC分量和反馈信号306的器件。在其它实施例中，通过使用如图5中所示的多输入放大器，前馈信号302可以直接在LDO稳压器的放大器中与反馈信号306进行组合。

现在参照图5，示出了具有高电源抑制的LDO稳压器的实施例，其使用多输入放大器390和392将来自辅助LDO稳压器396的前馈信号394反相并将其与主LDO稳压器402中的反馈信号400组合。每个放大器390和392包括多个输入，其使得能够将前馈信号394和反馈信号400组合而不使用反相器。例如，辅助LDO稳压器396中的放大器390包括两个反相输入404和406以及两个非反相输入410和412。电压参考信号V_ref414连接到反相输入404和406两者以及一个非反相输入410，前馈信号394连接到另一非反相输入412。主LDO稳压器402中的放大器392也包括两个反相输入420和422以及两个非反相输入424和426。电压参考信号V_ref414连接到反相输入420和422两者，前馈信号394连接到一个非反相输入424，反馈信号400连接到另一非反相输入426。通过将V_ref414连接到辅助LDO稳压器396中的放大器390的非反相输入410，且连接到主LDO稳压器402中的放大器392的仅反相输入420和422，当前馈信号394与反馈信号400在放大器392中组合时，前馈信号394被有效地反相。显然，每个多输入放大器390和392的输入的数量并不限于图5所提供的示例。

多输入放大器390和392可以各自等效为一对放大器，每个放大器具有反相输入和非反相输入，并且这对放大器的输出被组合。例如，输入404和410可以被提供给第一两输入放大器，输入406和412被提供给第二两输入放大器，它们的输出被组合并连接到晶体管460的栅极470。由于输入404和410被短接，第一放大器的输出将对总输出没有贡献。然而，包括它们是为了使放大器390与放大器392匹配。

主LDO稳压器402包括PMOS晶体管430，作为电源432和输出434之间的传输元件。晶体管430的源极436连接到电源432，漏极440连接到输出434，栅极442连接到放大器392的输出。反馈信号400是输出434的分压形式，由分压器产生，该分压器由串联连接在输出434和地450之间的电阻器444和电阻器446组成。输出电容器452和输出电流源454以及任何负载(未示出)并联连接在输出434和地450之间。

辅助LDO稳压器396包括PMOS晶体管460，作为传输元件连接在电源432和辅助输出462之间。晶体管460的源极464连接到电源432，漏极466连接到辅助输出462，栅极470连接到放大器390的输出。前馈信号394也被用作辅助LDO稳压器396中的反馈信号，并且为辅助输出462的分压形式。前馈信号394由分压器从辅助输出462产生，该分压器由串联连接在辅助输出462和地450之间的电阻器472和电阻器474组成。前馈信号394连接到放大器390的一个非反相输入412。辅助输出电容器480和辅助输出电流源482连接在辅助输出462和地450之间。与上述其它实施例一样，虽然辅助LDO稳压器396中的放大器390与主LDO稳压器402中的放大器392匹配，但是通过使用更小的晶体管460并且减小流过辅助输出电流源482的电流，可以降低辅助输出462的电流，以使功率使用最小化。

现在参照图6，适于用在各种辅助LDO稳压器396和主LDO稳压器402的各个实施例中的多输入放大器可以包括具有源极跟随器输入缓冲器502、504、506和510以及源极跟随器输出缓冲器512的单级放大器500。单级放大器500包括差分输入NMOS晶体管514和516，由尾电流源520提供偏置电流，电流镜522提供有源负载。电流源520连接在晶体管514的源极524和晶体管516的源极526以及地530之间，从而提供恒定的尾电流，该尾电流在晶体管514和516之间划分。电流镜522连接到晶体管514的漏极532和晶体管516的漏极534，以向放大器500提供有源负载。电流镜522包括二极管形式连接的PMOS晶体管540，其漏极542和栅极544连接到晶体管514的漏极532，源极546连接到电源550。电流镜522还包括从动PMOS晶体管552，其漏极554连接到晶体管516的漏极534，源极560连接到电源550，栅极562连接到晶体管540的漏极542和栅极544。

非反相输入晶体管514由两个非反相输入570和572分别经由源极跟随器输入缓冲器502和504来控制。输入缓冲器502包括NMOS晶体管574，其漏极576连接到电源550，栅极580连接到非反相输入570，源极582连接到晶体管514的栅极584。输入缓冲器504包括NMOS晶体管586，其漏极590连接到电源550，栅极592连接到非反相输入572，源极594连接到晶体管514的栅极584。电流源600为源极跟随器输入缓冲器502和504提供偏置电流，电流源600连接在晶体管574的源极582和晶体管586的源极594以及地530之间。

反相输入晶体管516由两个反相输入602和604分别经由源极跟随器输入缓冲器506和510来控制。输入缓冲器602包括NMOS晶体管606，其漏极610连接到电源550，栅极612连接到反相输入602，源极614连接到晶体管516的栅极616。输入缓冲器510包括NMOS晶体管620，其漏极622连接到电源550，栅极624连接到反相输入604，源极626连接到晶体管516的栅极616。电流源630为源极跟随器输入缓冲器506和510提供偏置电流，电流源630连接在晶体管606的源极614和晶体管620的源极626以及地530之间。

在工作期间，电流镜522迫使流过晶体管540和552的电流相等。当由非反相输入570和572的组合驱动的晶体管514的栅极584的电压超过由反相输入602和604的组合驱动的晶体管516的栅极616的电压时，与晶体管516相比，来自电流源520的更多电流被转移通过晶体管514。电流镜522迫使放大器500的输出632吸收额外的电流，从而增加输出632的电压。相反，当由反相输入602和604的组合驱动的晶体管516的栅极616的电压超过由非反相输入570和572的组合驱动的晶体管514的栅极584的电压时，流过晶体管516的电流增加，流过晶体管514的电流减小。电流镜522驱动流过晶体管552的电流类似减小，从而迫使输出632给出额外的电流，减小了输出632的电压。输出源极跟随器缓冲器512包括NMOS晶体管634，其漏极636连接到电源550，源极640连接到输出642。晶体管634的栅极644连接到单级放大器500的输出632。电流源646连接在输出642和地530之间。放大器500、输入缓冲器502，504，506和510以及输出缓冲器512将组合的差分输入转换为单端输出642，其电压与非反相输入570和572的组合以及反相输入602和604的组合之间的差成比例。

在一些实施例中，由于直流条件，具有源极跟随器输入缓冲器的放大器可能是不利的。现在参照图7，另一适于用在辅助LDO稳压器396和主LDO稳压器402的各种实施例中的多输入放大器包括两个平行的输入级650和652，每个输入级具有其自己的尾电流源654和656，但是共用电流源660作为有源负载。源极跟随器缓冲器662被用来驱动输出664。第一输入级650包括差分输入NMOS晶体管670和672，它们分别由第一非反相输入674和第一反相输入676控制。电流源654连接在晶体管670的源极680和晶体管672的源极682以及地684之间，提供恒定的尾电流，该尾电流在晶体管670和672之间划分。第二输入级652包括差分输入NMOS晶体管686和690，它们分别由第二非反相输入692和第二反相输入694控制。电流源656连接在晶体管686的源极696和晶体管690的源极700以及地684之间，提供恒定的尾电流，该尾电流在晶体管686和690之间划分。

电流镜660连接到并联输入级650和652两者，以提供有源负载。电流镜660包括二极管形式连接的PMOS晶体管702，其漏极704和栅极706连接到晶体管670的漏极710和晶体管686的漏极712，源极714连接到电源716。电流镜660还包括从动PMOS晶体管720，其漏极722连接到晶体管672的漏极724和晶体管690的漏极726，源极730连接到电源716，栅极732连接到晶体管702的漏极704和栅极706。

输出源极跟随器缓冲器662包括NMOS晶体管734，其漏极736连接到电源716，源极740连接到输出664。晶体管734的栅极742连接到在晶体管720的漏极722处的单级放大器746的输出744。电流源750连接在输出664和地684之间。多输入单级放大器746和输出缓冲器662将组合的差分输入转换为单端输出664，其电压与非反相输入674和692的组合以及反相输入676和690的组合之间的差成比例。

同样，具有高电源抑制的LDO线性稳压器并不限于使用任何特定的稳压器结构或者放大器，本文所示的实施例仅仅是示例。

本发明的一些实施例提供了调节输出电压的方法。例如，如图8中的流程图所示，调节输出电压的方法包括使用LDO稳压器控制电源和电压输出之间的传输元件上的电压降(方框800)，以及使用辅助LDO稳压器产生前馈信号(方框802)。将辅助LDO稳压器中的放大器与该LDO稳压器中的放大器匹配，使前馈信号能够消除该LDO稳压器的输出中的电源噪声，而不会引入附加的PVT变化或者调节放大器的复杂性。该方法还包括将LDO稳压器中的反馈信号与前馈信号组合(方框804)。前馈信号和反馈信号可以以多种合适的方式进行组合，包括：对前馈信号进行反相并将其用作主LDO稳压器中的参考电压，如图2所示；或者，在加法器或者其它独立部件中对前馈信号和反馈信号进行组合，如图4所示；或者，使用多输入放大器来组合前馈信号和反馈信号，如图5所示。

本文公开的LDO线性稳压器的实施例及其变形提供了高电源抑制。通过使辅助LDO稳压器中的放大器与主LDO稳压器中的放大器匹配，可以使用前馈信号来消除电源噪声，而在前馈信号中没有显著的额外的PVT变化的风险。由于放大器是匹配的，所以由放大器中的工艺和温度变化导致的失真被最小化，并且极大地消除了这种失真。在各个实施例中，通过使用如图6和7所示的多输入放大器，主LDO稳压器能够容易地使用前馈信号而无需复杂的前馈路径或者额外的加法模块。

尽管本文已经详细说明了示例性的实施例，但是，应当理解的是，本文公开的概念可以以其它的不同的方式来体现和使用，而且所附的权利要求意在被解释为包括这种变化，除了现有技术所限定的以外。

Claims (20)

1.一种调节输出电压的装置，所述装置包括：

低压差稳压器，其包括传输元件和放大器，其中所述低压差稳压器可被操作来基于反馈信号和前馈信号调节所述输出电压；和

辅助低压差稳压器，其包括辅助传输元件和辅助放大器，其中所述辅助低压差稳压器可被操作来产生所述前馈信号，并且其中所述辅助放大器基本上与所述放大器匹配。

2.如权利要求1所述的装置，还包括连接到所述前馈信号的反相器。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述反相器包括用于交替电流的单位增益。

4.如权利要求1所述的装置，还包括连接到所述放大器和所述辅助放大器的直流参考电压输入，其中所述低压差稳压器还可被操作来将所述输出电压调节为由所述直流参考电压输入所确定的电平。

5.如权利要求4所述的装置，还包括连接到所述反馈信号和所述前馈信号的加法器，其中所述加法器的输出连接到所述放大器。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述放大器包括多输入放大器，其中该多输入放大器可被操作来将所述反馈信号和所述前馈信号进行组合。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述反馈信号连接到所述多输入放大器的第一非反相输入，其中所述前馈信号连接到所述多输入放大器的第二非反相输入，并且其中直流参考电压输入连接到所述多输入放大器的反相输入。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述直流参考电压输入还连接到所述多输入放大器的第二反相输入。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述辅助放大器包括辅助多输入放大器，其中所述直流参考电压输入连接到所述辅助多输入放大器的反相输入并且连接到所述辅助多输入放大器的非反相输入，其中所述前馈信号连接到所述辅助多输入放大器的第二非反相输入。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述直流参考电压还连接到所述辅助多输入放大器的第二反相输入。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述多输入放大器和所述辅助多输入放大器包括差分单级放大器，所述差分单级放大器具有运算放大器有源负载和多个源极跟随器输入，其可操作来组合多个非反相输入和多个反相输入。

12.如权利要求9所述的装置，其中所述多输入放大器和所述辅助多输入放大器包括差分单级放大器，所述差分单级放大器具有运算放大器有源负载和多个并联的差分输入级。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述辅助放大器小于所述放大器。

14.如权利要求1所述的装置，还包括：

连接到所述低压差稳压器的输出的分压器；和

连接到所述辅助低压差稳压器的辅助输出的辅助分压器，其中所述分压器和所述辅助分压器具有相同的分压比，其中所述分压器产生所述反馈信号，并且所述辅助分压器产生所述前馈信号。

15.如权利要求1所述的装置，还包括连接到所述低压差稳压器的输出的输出电容器和输出电流源，和连接到所述辅助低压差稳压器的辅助输出的辅助输出电容器和辅助输出电流源，其中所述辅助输出电流源产生比所述输出电流源低的电流水平。

16.一种调节输出电压的方法，所述方法包括：

使用低压差稳压器控制电源和电压输出之间的传输元件上的压降；

使用辅助低压差稳压器产生前馈信号，其中所述辅助低压差稳压器中的第一放大器与所述低压差稳压器中的第二放大器匹配；和

将所述低压差稳压器中的反馈信号与所述前馈信号进行组合。

17.如权利要求16所述的方法，其中将所述低压差稳压器中的反馈信号与所述前馈信号进行组合可被操作来消除电压输出中的来自电源的电源噪声。

18.如权利要求16所述的方法，还包括对所述前馈信号进行反相。

19.如权利要求16所述的方法，其中流过所述低压差稳压器的电流大于流过所述辅助低压差稳压器的第二电流。

20.一种调节输出电压的装置，所述装置包括：

电源；

参考电压输入；

连接到所述电源的低压差稳压器；和

连接到所述电源的辅助低压差稳压器；

其中所述低压差稳压器包括：

连接在所述电源和输出之间的传输元件；

连接到所述传输元件的放大器，所述放大器包括各自连接到所述参考电压输入的第一反相输入和第二反相输入；

连接到所述输出的分压器；

连接到所述放大器上的第一非反相输入的、来自所述分压器的反馈信号；

其中所述辅助低压差稳压器包括：

连接在所述电源和辅助输出之间的辅助传输元件；

连接到所述辅助传输元件的辅助放大器，所述辅助放大器包括各自连接到所述参考电压输入的第一反相输入、第二反相输入和第一非反相输入；

连接到所述辅助输出的辅助分压器；

来自所述辅助分压器的前馈信号，其中所述前馈信号连接到所述辅助放大器上的第二非反相输入，并且其中所述前馈信号连接到所述放大器上的第二非反相输入；和

其中所述放大器和所述辅助放大器是匹配的，并且其中所述低压差稳压器和所述辅助低压差稳压器可操作来消除所述输出中的来自所述电源的电源噪声。

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