CN103163926B - 高精度低压差电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低压差电压调节器，其包括输出电路、反馈电路、误差放大电路。所述输出电路包括功率晶体管和镜像晶体管，所述功率晶体管的源级和栅极分别与所述镜像晶体管的源级和栅极相连，所述功率晶体管的漏极为所述输出电路的输出端，所述误差放大器根据反馈电路提供的反馈电压和一参考电压来控制所述镜像晶体管上的电流。所述低压差电压调节器还包括连接于所述功率晶体管的漏极和所述镜像晶体管的漏极之间的辅助调整电路，所述辅助调整电路将所述镜像晶体管的漏极电压调整的与所述功率晶体管的漏极端电压相等。这样，保证了功率晶体管和镜像晶体管的镜像关系，从而确保了输出电压的调整精度。

Description

高精度低压差电压调节器

【技术领域】

本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种低压差电压调节器。

【背景技术】

低压差电压调节器广泛运用于各种电子系统中，特别是要求低电源供电，快速负载响应的数字系统。电流镜输出电压的低压差电压调节器不仅可以对负载变化进行快速响应，而且其消耗的静态电流也会随着负载电流的减小而同步减小，减小了功耗，提高了效率。

图1为的现有技术中低压差电压调节器100的电路图，所述低压差电压调节器包括电流镜输出电路110、反馈电路120、误差放大电路130、串联在电流镜输出电路110的输出端VOUT和地VSS之间的电容CL和负载电阻RL。所述电流镜输出电路110包括功率晶体管M8、镜像晶体管M7和与镜像晶体管M7串联的晶体管M6，所述功率晶体管M8的漏极为所述电流镜输出电路110的输出端，所述功率晶体管M8与所述镜像晶体管M7的源级都接电源VDD，栅极互相连接，两者的宽长比之比为K∶1，K为比例系数，两者构成了电流镜电路，即晶体管M7上流过的电流与晶体管M8上流过的电流成比例，晶体管M6上流过的电流与晶体管M7上的相同，因此这样通过控制晶体管M6上的电流就可以控制晶体管M8上的电流，进而实现将电源电压VDD转换为输出电压VOUT。所述反馈电路120包括串联在电流镜输出电路110的输出端VOUT和地VSS之间的电阻R1和R2，其对输出端上的电压进行分压得到反馈电压FB。所述误差放大电路130接收参考电压VREF和反馈电压FB，并根据两者的差来调节输出端VE上的电压，所述输出端VE与晶体管M6的栅极相连，这样可以实现对晶体管M6的控制，进而实现对功率晶体管M8的反馈控制，使得系统稳定。为了增加系统的稳定性，一个补偿电容Cc串联在误差放大器130的输出端VE和地之间。所述误差放大器130包括晶体管M1、M2、M3、M4和M5，晶体管M5的栅极接基准电压VB以使得晶体管M5可以提供恒定的电流。

但是传统的电流镜输出电压调节器的输出电压的精度会受到沟道调制效应的严重影响。如图1所示，由于功率晶体管M8需要对负载输出较大的电流，所以通常功率晶体管M8会选取最小沟道长度，为了更好的匹配，因此镜像晶体管M7也将是选择最小沟道长度。所以最小沟道长度所带来的沟道调制效应将会非常严重。电源电压VDD的变化将会直接影响输出电压VOUT的调整精度，特别是当电源电压VDD降低使功率晶体管M8工作于亚阈值区或线性区时，晶体管M7和M8已经不能够保持电流镜的比例镜像关系，同时系统反馈环路的增益和电源抑制比PSRR都会严重降低。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高精度低压差电压调节器，其可以在电源电压发生变化时仍能确保输出电压的调整精度。

为了实现上述目的，本发明提出一种低压差电压调节器，其包括输出电路、反馈电路、误差放大电路、串联在输出电路的输出端和地之间的电容，所述输出电路包括功率晶体管和镜像晶体管，所述功率晶体管的源级和栅极分别与所述镜像晶体管的源级和栅极相连，所述功率晶体管的漏极为所述输出电路的输出端，所述反馈电路采样所述输出电路的输出端的电压得到反馈电压，所述误差放大器根据所述反馈电压和一参考电压来控制所述镜像晶体管上的电流。所述低压差电压调节器还包括有连接于所述功率晶体管的漏极和所述镜像晶体管的漏极之间的辅助调整电路，所述辅助调整电路将所述镜像晶体管的漏极电压调整的与所述功率晶体管的漏极端电压相等。

进一步的，所述输出电路还包括有与所述镜像晶体管依次串联的控制晶体管和第六晶体管，所述第六晶体管的栅极与所述误差放大器的输出端连接，所述控制晶体管的栅极与所述辅助调整电路的输出端连接，所述辅助调整电路的一个输入端接所述功率晶体管的漏极，另一个输入端接所述镜像晶体管的漏极。

更进一步的，所述辅助调整电路在所述镜像晶体管的漏极电压与所述功率晶体管的漏极电压不相同，调整所述控制晶体管的栅极电压，使得所述镜像晶体管的漏极电压与所述功率晶体管的漏极电压相等。

再进一步的，所述辅助调整电路包括第9晶体管、第10晶体管、第11晶体管、第12晶体管、第13晶体管、第14晶体管和第16晶体管，第10晶体管的源级接所述镜像晶体管的漏极，第11晶体管的源级接所述功率晶体管的漏极，第10晶体管的栅极与第11晶体管的栅极相连，第12、13、14晶体管的栅极相连，源级接地，第12晶体管的漏极接第10晶体管的漏极，第13晶体管的漏极接第11晶体管的漏极，第14晶体管的漏极接基准电流，第10晶体管与第12晶体管的连接节点与第16晶体管的栅极相连，第16晶体管的源级接地，漏极接所述第9晶体管的漏极，两者之间的节点接所述控制晶体管的栅极。第10晶体管与第12晶体管的连接节点和第9晶体管与第16晶体管的连接节点之间接有补偿电容。

进一步的，所述反馈电路包括串联在所述功率晶体管的漏极和地之间的两个分压电阻，两个分压电路的中间节点的电压为所述反馈电压。

与现有技术相比，在本发明中不仅镜像晶体管的栅极、源级与功率晶体管的栅极、源级的电压相同，而且镜像晶体管的漏极也与功率晶体管的漏极的电压相同，这样保证了功率晶体管和镜像晶体管的镜像关系，从而确保了输出电压的调整精度，同时弥补了当功率晶体管进入线性区导致系统主环路增益的降低的问题，同时也提高了输出电压的电源抑制比PSRR。

【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它的附图。其中：

图1为现有技术中低压差电压调节器的电路图；和

图2为本发明中的高精度低压差电压调节器在一个实施例中的电路图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明中的高精度低压差电压调节器200在一个实施例中的电路图。如图2所示，所述低压差电压调节器200包括输出电路210、反馈电路220、误差放大电路130、串联在输出电路210的输出端VOUT和地VSS之间的电容CL和负载电阻RL。

所述输出电路210包括功率晶体管M15、镜像晶体管M8和与镜像晶体管M8串联的晶体管M6，所述功率晶体管M15的漏极为所述输出电路210的输出端VOUT，所述功率晶体管M15与所述镜像晶体管M8的源级都接电源VDD，栅极互相连接，两者的宽长比之比为K∶1，K为比例系数，两者构成了电流镜电路，即镜像晶体管M8上流过的电流与功率晶体管M15上流过的电流成比例，晶体管M6上流过的电流与镜像晶体管M8上的相同，因此这样通过控制晶体管M6上的电流就可以控制晶体管M8上的电流，从而控制功率晶体管M15上的电流，进而实现将电源电压VDD转换为输出电压VOUT。

所述反馈电路220包括串联在输出电路210的输出端VOUT和地VSS之间的电阻R1和R2，其对输出端上的电压进行分压得到反馈电压FB。所述误差放大电路230接收参考电压VREF和所述反馈电路220提供的反馈电压FB，并根据两者的差来调节输出端VE上的电压，所述输出端VE与晶体管M6的栅极相连，这样可以实现对晶体管M6的控制，进而实现对功率晶体管M15的反馈控制，使得系统稳定。为了增加系统的稳定性，一个补偿电容Cc串联在误差放大器230的输出端VE和地之间。所述误差放大器230包括晶体管M1、M2、M3、M4和M5，晶体管M5的栅极接基准电压VB以使得晶体管M5可以提供恒定的电流。

为了减小沟道调制效应对于输出电压的影响，在本发明的低压差电压调节器200中增加了辅助调整电路240。所述辅助调整电路240将所述镜像晶体管M8的漏极端电压A1调整的与所述功率晶体管M15的漏极端电压VOUT相同，这样镜像晶体管M8和功率晶体管M15的栅极、源级和漏极的电压都相同，从而确保了晶体管M8和M15能够完全镜像，从而保证了输出电压VOUT的调整精度。即使当功率晶体管M15进入到线性区或亚阈值区后，镜像晶体管M8仍能保持与所述功率晶体管M15的镜像关系，使得系统仍能正常工作。同时，也弥补了当功率晶体管M15进入线性区导致系统主环路增益的降低，同时也提高了输出电压的电源抑制比PSRR。

所述低压差电压调节器200还包括有串联在晶体管M8和M6之间的控制晶体管M7。所述控制晶体管M7的栅极与所述辅助调整电路240的输出端A3连接，所述辅助调整电路240的一个输入端接所述功率晶体管的漏极A1，另一个输入端接所述镜像晶体管的漏极VOUT。所述辅助调整电路240在所述镜像晶体管M8的漏极端电压A1与所述功率晶体管M15的漏极端电压VOUT不相同，调整所述晶体管M7的栅极电压，从而使得所述镜像晶体管M8的漏极端电压A1与所述功率晶体管M15的漏极端电压VOUT相等。

所述辅助调整电路240包括晶体管M9、M10、M11、M12、M13、M14、M16。所述晶体管M10的源级接所述晶体管M8的漏极A1，所述晶体管M11的源级接所述晶体管M15的漏极VOUT，晶体管M10的栅极与晶体管M11的栅极相连。所述晶体管M12、M13、M14的栅极相连，源级接地VSS，晶体管M12的漏极接晶体管M10的漏极，晶体管M13的漏极接晶体管M11的漏极，晶体管M14的漏极接基准电流IB。晶体管M10与晶体管M12的连接节点A2与晶体管M16的栅极相连，晶体管M16的源级接地，漏极接所述晶体管M9的漏极，两者之间的节点A3接所述晶体管M7的栅极。

在节点A2和A3之间补偿电容Cc2，以保证系统的稳定。

在运行时，当输出电压VOUT升高时，晶体管M11采样得到的栅电压也会同时升高，迫使晶体管M10的漏极电压A2降低，晶体管M16的漏极电压A3升高，最后使节点A1的电压也同时升高，这样形成了电压反馈跟踪。

在其他实施里中，也可以采用其他形式的辅助调整电路，只能能够使得节点A1的电压能够跟踪所述输出电压VOUT即可。

本文中的“连接”、“相接”、“接至”等涉及到电性连接的词均可以表示直接或间接电性连接。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (5)

1.一种低压差电压调节器，其包括输出电路、反馈电路、误差放大电路、串联在输出电路的输出端和地之间的电容，所述输出电路包括功率晶体管和镜像晶体管，所述功率晶体管的源极和栅极分别与所述镜像晶体管的源极和栅极相连，所述功率晶体管的漏极为所述输出电路的输出端，所述反馈电路采样所述输出电路的输出端的电压得到反馈电压，所述误差放大电路根据所述反馈电压和一参考电压来控制所述镜像晶体管上的电流，

其特征在于，其还包括有连接于所述功率晶体管的漏极和所述镜像晶体管的漏极之间的辅助调整电路，所述辅助调整电路将所述镜像晶体管的漏极电压调整的与所述功率晶体管的漏极端电压相等，

所述输出电路还包括有与所述镜像晶体管依次串联的控制晶体管和第六晶体管，所述第六晶体管的栅极与所述误差放大电路的输出端连接，所述控制晶体管的栅极与所述辅助调整电路的输出端连接，所述辅助调整电路的一个输入端接所述功率晶体管的漏极，另一个输入端接所述镜像晶体管的漏极，

所述功率晶体管与所述镜像晶体管的宽长比之比为K：1，K为比例系数。

2.根据权利要求1所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述辅助调整电路在所述镜像晶体管的漏极电压与所述功率晶体管的漏极电压不相同时，调整所述控制晶体管的栅极电压，使得所述镜像晶体管的漏极电压与所述功率晶体管的漏极电压相等。

3.根据权利要求2所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述辅助调整电路包括第9晶体管、第10晶体管、第11晶体管、第12晶体管、第13晶体管、第14晶体管和第16晶体管，第10晶体管的源极接所述镜像晶体管的漏极，第11晶体管的源极接所述功率晶体管的漏极，第10晶体管的栅极与第11晶体管的栅极相连，第12、13、14晶体管的栅极相连，源极接地，第12晶体管的漏极接第10晶体管的漏极，第13晶体管的漏极接第11晶体管的漏极，第14晶体管的漏极接基准电流，第10晶体管与第12晶体管的连接节点与第16晶体管的栅极相连，第16晶体管的源极接地，漏极接所述第9晶体管的漏极，两者之间的节点接所述控制晶体管的栅极。

4.根据权利要求3所述的低压差电压调节器，其特征在于，第10晶体管与第12晶体管的连接节点和第9晶体管与第16晶体管的连接节点之间接有补偿电容。

5.根据权利要求1-3任一所述的低压差电压调节器，其特征在于，所述反馈电路包括串联在所述功率晶体管的漏极和地之间的两个分压电阻，两个分压电阻的中间节点的电压为所述反馈电压。