CN103176493B - 一种具有频率补偿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频率补偿的低压差线性稳压器，其包括误差放大电路和频率补偿电路，其中，频率补偿电路构造为检测误差放大电路的输出负载，并根据误差放大电路的输出负载的变化来改变误差放大电路的输出阻抗，使得所述输出阻抗随着所述输出负载向相反方向变化。本发明的具有频率补偿的低压差线性稳压器能够实现相位裕度基本与负载轻重状态无关，从而增强了低压差线性稳压器的稳定性。

Description

一种具有频率补偿的低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种具有频率补偿的低压差线性稳压器。
背景技术
稳压器用于提供不随负载阻抗、输入电压、温度和时间变化而变化的稳定的电源电压，低压差(LDO，LowDropOut)线性稳压器(LinearVoltageRegulators)因其能够在电源电压(输入端)与负载电压(输出端)之间保持微小压差而著称，压差指的是稳压器保持电压稳定所需的输入电压和输出电压之间的最小差值，压差应尽可能小，以使功耗最小，效率最高。
便携式应用的日益增加使得设计工程师考虑使用LDO来保持所需的系统电压，其与电池充电状态无关。例如，如果锂电池电压从4.2V(全充电)下降到2.7V(几乎全放电)，而LDO可在负载端保持2.5V的恒定电压。
常用的低压差线性稳压器包括误差放大电路、功率管和反馈电阻，其输出Vout接到负载阻抗Rload。为了实现输出电压稳定，还包括补偿电容Cout，电路结构如图1所示。图1和图2中及以下公式中所使用的符号定义如下：
VinLDO的电源电压
Vref输入参考电压
VoutLDO的输出电压
Roa误差放大电路的输出阻抗
Coa误差放大电路的输出端寄生电容
Cpar功率管输入端的总寄生电容
Cgd-pass功率管的栅-漏电容
Cgs-pass功率管的栅-源电容
Ro-pass功率管的输出阻抗
gm-pass功率管的跨导
Cout片外补偿电容
Resr片外补偿电容的等效串联电阻
RLoadLDO的负载阻抗
UGF单位增益带宽
对图1所示电路的传输函数进行分析后得到零极点的分布公式如下：
p1＝1/Cout(RX+Resr)≈1/CoutRX，
p2＝1/CparRoa＝1/(gm-passRXCgd-pass+Coa+Cgs-pass)Roa，z1＝1/CoutResr。其中，RX＝Ro-pass||(R1+R2)||Rload。
图2为零极点的相对位置关系图。主极点p1位于LDO输出端，次极点p2位于功率管输入端，补偿零点z1由片外补偿电容Cout的等效串联电阻Resr产生。高频级点p3由电路内部的其他寄生效应引起。
在重负载(即，负载电阻Rload较小，负载电流较大)的情况下，RX较小，功率管处于线性区，跨导gm-pass降低，所以次极点p2较高。在轻负载(即，负载电阻较大，负载电流较小)的情况下，RX较大，功率管处于饱和区，跨导gm-pass较大，所以次极点p2降低。而补偿零点z1则与负载无关。
可见，p2的位置随着负载轻重的变化而变化，但是补偿零点z1的位置不变。因为LDO的相位裕度与p2和z1的相对位置密切相关，所以其稳定性与负载大小密切相关。一般来说，LDO的相位裕度会在重负载的条件下优化，由此常常导致LDO在轻载或者空载时不稳定，这是现有的LDO电路结构的一个缺陷。
发明内容
本发明的目的在于设计一种具有频率补偿的低压差线性稳压器，其能够实现相位裕度基本与负载轻重状态无关，从而增强了稳定性。
为此，本发明提出了一种具有频率补偿的低压差线性稳压器，其包括误差放大电路和频率补偿电路，其中，频率补偿电路构造为检测误差放大电路的输出负载，并根据误差放大电路的输出负载的变化来改变误差放大电路的输出阻抗，使得所述输出阻抗随着所述输出负载向相反方向变化。
作为优选，所述误差放大电路包括：连接成差分对的晶体管NM2和NM3，其栅极分别接收输入电压；晶体管PM7，其与晶体管NM2串联；共栅极连接的晶体管PM8和PM9，其中晶体管PM8与晶体管NM3串联；共栅极连接的晶体管NM7和NM8，其中晶体管NM7与偏置电流串联，晶体管NM7和NM8的源极接地；晶体管NM5，其与晶体管PM9串联，且晶体管NM5与晶体管PM9互相连接的漏极电压为所述误差放大电路的输出电压。
作为优选，所述频率补偿电路包括：共栅极连接的晶体管PM4和PM5，其漏极分别连接到晶体管PM8和PM7的漏极，其栅极连接到晶体管NM8的漏极；共栅极连接的晶体管PM2和PM1，其漏极连接到晶体管NM8的漏极；晶体管PM3，其与晶体管NM8串联；晶体管NM1，其与晶体管PM1串联，且其栅极连接到晶体管NM5的漏极；电阻R1，其与晶体管NM1串联。
作为优选，所述误差放大电路还包括：晶体管NM6，其漏极连接到晶体管NM2和NM3的互相连接的源极，其源极接地，其栅极连接到晶体管NM7的漏极。
作为优选，所述误差放大电路还包括：晶体管PM6，其与晶体管PM7共栅极连接。
作为优选，所述误差放大电路还包括：晶体管NM4，其与晶体管NM5共栅极连接，并与晶体管PM6串联。
本发明的具有频率补偿的低压差线性稳压器改进了现有低压差线性稳压器的稳定性，减小了外部补偿电容，从而降低了系统的成本。
附图说明
图1为现有技术的低压差线性稳压器的电路结构图；
图2为图1所示电路的零极点的相对位置关系图；
图3为本发明的带频率补偿的低压差线性稳压器的电路结构图。
具体实施方式
当观察次极点p2的表达式，p2＝1/(gm-passRXCgd-pass+Coa+Cgs-pass)Roa，发现其由电容项(gm-passRXCgd-pass+Coa+Cgs-pass)和电阻项Roa的乘积组成。电容项随着负载而变化，电阻项Roa是误差放大电路的输出阻抗，其值与MOS管的本征输出阻抗ro成正比。因为即ro与MOS管电流成反比。本发明的实施例中利用这个特性来控制ro，进而控制Roa随着负载向相反方向变化，从而抵消二者的影响，令次极点p2保持不变。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图3为本发明的带频率补偿的低压差线性稳压器的电路结构图。如图3所示，本发明的带频率补偿的低压差线性稳压器包括误差放大电路1和频率补偿电路2，频率补偿电路2构造为能够监测误差放大电路1输出负载的变化，并通过监测到的负载值改变电路的频率特性，从而提高电路在不同应用条件下的稳定性。
在本实施例中，误差放大电路1由NM7，NM8，NM6，NM2，NM3，NM4，NM5，PM6，PM7，PM8，PM9组成。频率补偿电路2由PM3，PM2，PM1，PM4，PM5，NM1，R1组成。
当负载较轻时，误差放大电路1的输出电压Vout较高，所以流过频率补偿电路2的支路R1-NM1-PM1的电流较大。由于PM2镜像于PM1，所以PM2的电流也较大。又因为NM8的电流是定值(其仅由Ib决定)，所以PM3的电流较小，这导致了PM4和PM5的电流也较小，从而PM7和PM8的电流较大，最终PM9和NM5的电流较大，使得误差放大电路1的输出阻抗较小。
当负载较重时，误差放大电路1的输出电压Vout较低，所以流过频率补偿电路2的支路R1-NM1-PM1的电流较小。由于PM2镜像于PM1，所以PM2的电流也较小。又因为NM8的电流是定值(仅由Ib决定)，所以PM3的电流较大，这导致了PM4和PM5的电流也较大，从而PM7和PM8的电流较小，最终PM9和NM5的电流较小，使得误差放大电路1的输出阻抗较大。
可见，本发明实施例中的误差放大电路1的输出阻抗随负载的变化趋势与电容项相反，从而次极点p2相对稳定。

Claims (6)

1.一种具有频率补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，包括误差放大电路和频率补偿电路，其中，
频率补偿电路构造为检测误差放大电路的输出负载，并根据误差放大电路的输出负载的变化来改变误差放大电路的输出阻抗，使得所述输出阻抗随着所述输出负载向相反方向变化。
2.如权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大电路包括：
连接成差分对的晶体管NM2和NM3，其栅极分别接收输入电压；
晶体管PM7，其与晶体管NM2串联；
共栅极连接的晶体管PM8和PM9，其中晶体管PM8与晶体管NM3串联；
共栅极连接的晶体管NM7和NM8，其中晶体管NM7与偏置电流串联，晶体管NM7和NM8的源极接地；
晶体管NM5，其与晶体管PM9串联，且晶体管NM5与晶体管PM9互相连接的漏极电压为所述误差放大电路的输出电压。
3.如权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述频率补偿电路包括：
共栅极连接的晶体管PM4和PM5，其漏极分别连接到晶体管PM8和PM7的漏极，其栅极连接到晶体管NM8的漏极；
共栅极连接的晶体管PM2和PM1，晶体管PM2的漏极连接到晶体管NM8的漏极；
晶体管PM3，其与晶体管NM8串联；
晶体管NM1，其与晶体管PM1串联，且其栅极连接到晶体管NM5的漏极；
电阻R1，其与晶体管NM1串联。
4.如权利要求2或3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大电路还包括：晶体管NM6，其漏极连接到晶体管NM2和NM3的互相连接的源极，其源极接地，其栅极连接到晶体管NM7的漏极。
5.如权利要求2或3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大电路还包括：晶体管PM6，其与晶体管PM7共栅极连接。
6.如权利要求5所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大电路还包括：晶体管NM4，其与晶体管NM5共栅极连接，并与晶体管PM6串联。
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