CN103176494B - 压控零点补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控零点补偿电路，应用于LDO中，至少包括第一辅助放大器、第二辅助放大器、切换电路、源极跟随器、电流镜电路以及主补偿电容和辅助电容，其中，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之一输入端连接于该LDO的输出电压，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之另一输入端通过该主补偿电容接地，该切换电路连接于该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之输出端与该源极跟随器之间，以控制该第一辅助放大器与该第二辅助放大器切换工作，本发明实现了能够应用于电压输出大范围可编程的高性能的大驱动能力LDO的目的，提高了LDO中频段的电源抑制比。

Description

压控零点补偿电路

技术领域

本发明涉及一种压控零点补偿电路，特别是涉及一种用于实现LDO稳定性的压控零点补偿电路。

背景技术

一般来说，LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)电路的频率稳定性取决于误差放大器和频率补偿网络。对于1uf～10uf的稳压电容，传统的LDO电路采用源跟随器作为中间级，利用源跟随器的低输出阻抗隔开高增益误差放大器和驱动管栅极寄生电容形成的低频极点，因此源跟随器具有需要消耗大量电流才能将驱动管栅极点推到高频的缺点，同时源跟随器作为中间级，存在NMOS源跟随器引起驱动管在小负载时无法完全关闭、PMOS源跟随器引起驱动管在大负载时无法完全打开的缺点。

所以对于大电容负载LDO电路，往往需要利用频率补偿技术来实现LDO的稳定性，目前采用最多的就是零点补偿技术，零点补偿技术主要通过在电路内部产生零点抵消极点的方法实现LDO稳定，现有技术最常采用的就是压控零点补偿技术。

图1为现有技术中一种具有压控零点补偿技术的LDO的电路原理图。Vout和Vfb分别为LDO的输出电压和反馈电压，R1和R2分别为LDO的反馈电阻，Rp和Cp分别为误差放大器101(跨导为gm)的输出寄生电阻和输出寄生电容，RL和CL分别为LDO的输出电阻和输出电容，压控零点补偿电路102连接LDO的输出电压Vout和反馈电压Vfb，其基本工作原理是利用LDO输出电压Vout和反馈电容C产生一股压控电流源i＝SCVout流入LDO反馈电阻，使补偿电容C和反馈电阻R2产生一个左半平面零点Z用于补偿误差放大器101的输出极点，以改善LDO频率稳定性，然而采用该压控零点补偿技术产生零点Z的同时，LDO环路中还增加了一个压控零点补偿电路内部极点P，这个内部极点P通常在LDO带内几百KHz处降低LDO的稳定性。

$Z=\frac{1}{R2C}$

$p=\frac{\mathrm{gmx}}{C}$

图2为图1中的压控零点补偿电路的电路示意图。如图2所示，辅助放大器A将极点P推到高频降低对LDO主环路稳定性的影响。图2之压控零点补偿电路的基本工作原理是源跟随器Mx和辅助放大器形成反馈，将NMOS管源跟随器Mx的跨导gmx增大了A倍，将极点P推向高频，图中Rx和Cx分别为辅助放大器的输出寄生电阻电容，IB为补偿电路提供偏置电流，通过将偏置电流的镜像比例倍增m(mIB)，即：将流入LDO反馈电阻的压控电流增大到mSCVout，实现了零点频率降低m倍，换句话说，在得到相同零点情况下降低了补偿电容C取值，进一步提高了内部极点P。例如对于R2＝200K，C1＝5pf，得到补偿零点Z1＝200KHz小于GBW，寄生极点P1＝10MHz大于GBW，能够起到补偿作用。可见，采用图2之压控零点补偿技术后，零点被推向低频，极点被推向高频，优化了补偿效果，同时采用cascode结构偏置电流提高补偿电路的输出阻抗，使补偿电路输出阻抗与反馈电阻并联后，更多的电流流入反馈电阻，降低了压控零点补偿电路对主环路的影响。

然而，采用上述压控零点补偿技术却也存在如下不足：由于辅助放大器的静态工作点限制了LDO的输出电压范围，该压控零点补偿技术只适用于输出电压较高的LDO，同时该压控零点补偿技术没有考虑压控零点补偿电路对PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)的影响以及电流镜镜像极点对电路稳定性的影响。

发明内容

为克服上述现有技术的上述缺点，本发明的主要目的在于提供一种压控零点频率补偿电路，其能够应用于各种输出电压范围的高性能大驱动能力LDO，并使得采用本发明后的中频段PSRR得到了提高。

为达上述及其它目的，本发明一种压控零点补偿电路，应用于LDO中，包括源极跟随器、电流镜电路以及主补偿电容和辅助电容，其特征在于：该压控零点补偿电路至少还包括第一辅助放大器、第二辅助放大器以及切换电路，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之一输入端连接于该LDO的输出电压，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之另一输入端通过该主补偿电容接地，该切换电路连接于该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之输出端与该源极跟随器之间，以控制该第一辅助放大器与该第二辅助放大器切换工作。

进一步地，该辅助电容远小于该主补偿电容。该主补偿电容为pf级电容，该辅助电容为ff级电容。

进一步地，该压控零点补偿电路还包括电流镜镜像零极点对，利用电流镜镜像极点频率＝1/2镜像零点频率，将镜像零极点对频率控制在压控零点和esr零点之间，调整压控零点和esr零点的相对位置。

进一步地，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器的增益均大于40dB。

进一步地，该电流镜电路连接于该源极跟随器及该LDO的反馈电压，其用于将该源极跟随器的偏置电流的镜像比例倍增m，使流入LDO反馈电阻的压控电流增大到m倍，实现零点频率降低m倍。

与现有技术相比，本发明一种压控零点频率补偿电路通过采用两个辅助放大器，在不改变LDO主环路的极点、产生零点的同时不引入额外的带内极点，实现了能够应用于电压输出大范围可编程的高性能的大驱动能力LDO的目的，提高了LDO中频段的电源抑制比，同时，本发明还具有面积小，功耗低的优点。

附图说明

图1为现有技术中一种具有压控零点补偿技术的LDO的电路原理图；

图2为图1中的压控零点补偿电路的电路示意图；

图3为本发明一种压控零点补偿电路之较佳实施例的电路结构示意图；

图4为采用本发明之较佳实施例的LDO频率特性仿真效果图；

图5为采用本发明之较佳实施例的LDO电源抑制比结果的仿真效果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种压控零点补偿电路之较佳实施例的电路结构示意图。请一并参照图1，本发明之压控零点补偿电路可应用于各种输出电压范围的高性能大驱动能力LDO，其包括第一辅助放大器Ap、第二辅助放大器An、切换电路301、源极跟随器302、电流镜电路303、输出寄生电阻Rx、输出寄生电容Cx以及主补偿电容C。

其中第一辅助放大器Ap、第二辅助放大器An分别适用于高输出电压和低输出电压的LDO，即能够应用于电压输出大范围可编程的大驱动能力LDO，第一辅助放大器Ap与第二辅助放大器An的正向输入端均连接LDO的输出电压，其负向输入端均通过主补偿电容接地；切换电路301与第一辅助放大器Ap、第二辅助放大器An输出端均连接，用于控制第一辅助放大器Ap与第二辅助放大器An切换工作，其通过LDO的可编程或可配置信号自动控制完成；源极跟随器302连接于切换电路301，在本发明较佳实施例中，该源极跟随器302包含一NMOS晶体管Mx以及偏置电流IB，该NMOS晶体管Mx栅极与切换电路301相连，源极通过偏置电流IB接地，漏极与电流镜电路303相连；电流镜电路303连接LDO的反馈电压，其用于将偏置电流的镜像比例倍增m，使流入LDO反馈电阻的压控电流增大到mSCVout，实现零点频率降低m倍。

较佳的，为提高LDO的中频段PSRR，本发明之压控零点补偿电路还包括一辅助电容Co，该辅助电容Co连接于一电源VBAT与主补偿电容C之间，其与主补偿电容C的中间节点与第一辅助放大器Ap、第二辅助放大器An的负输入端相连，在此需说明的是，辅助电容Co应小于主补偿电容。

以下将进一步配合图1及图3来说明本发明之压控零点补偿电路的基本工作原理：LDO的输出电压Vout经过Mx源级跟随器和辅助放大器(第一辅助放大器Ap或第二辅助放大器An)负反馈钳位在主补偿电容C和辅助电容Co上，在本发明较佳实施例中，主补偿电容C位pf级电容，辅助电容Co为15ff，因此，对输出信号Vout来说，辅助电容Co与主补偿电容C并联后，辅助电容Co为15ff可以忽略，所以压控电流mSCVout流入LDO反馈电阻，产生一个左半平面零点Z用于补偿LDO之误差放大器的输出极点。对电源VBAT信号的来说辅助电容Co相当于decap电容，因为中频段以后辅助电容Co的引入使电源VBAT和地之间近似简化为辅助电容Co和主补偿电容C的串联电路，由于辅助电容Co远小于主补偿电容C，电源VBAT的信号波动几乎全部降落在辅助电容Co上，屏蔽了电源VBAT通过内部电路耦合到主补偿电容C的信号，提高了LDO的中频段PSRR。同时电流镜电路镜像极零点对的特点是，电流镜镜像极点频率＝1/2镜像零点频率，代替了传统LDO输出反馈电阻上端并联的前馈补偿电容形成的零极点对，通过将镜像零极点对频率控制在压控零点Z和LDO输出旁路电容及自身esr(Equivalent Series Resistance，等效串联电阻)电阻形成的esr零点之间，能够调整压控零点和esr零点的频率间隔，防止了旁路电容较大esr电阻形成的esr零点与压控零点频率重合，即防止了两个左半平面零点相邻带来的震荡，保证了LDO的稳定性。

在此需说明的是，本发明之压控零点补偿电路设计应满足以下几个要求：辅助放大器(第一辅助放大器Ap及第二辅助放大器An)的增益要大于40dB以提高补偿电路产生的极点；压控零点补偿电路内部极点明显大于LDO带宽(一般在MHz以上)以减小对整个电路频响的影响；压控零点补偿电路不应消耗大量功耗，以基准电流IB＝0.5uA为例，整个压控零点补偿电路电流不应超过20uA。

图4为采用本发明之较佳实施例的LDO频率特性仿真效果图。图5为采用本发明之较佳实施例的LDO电源抑制比结果的仿真效果图。通过图4可见，采用本发明的LDO在各种负载下频率稳定性45°基本达到稳定。图5中白色为采用本发明辅助电容提高PSRR技术的PSRR仿真结果，红色为未采用本发明的PSRR仿真波形，通过图5可见，采用本发明后的LDO 2.0V～2.7V输出电压的1KHz以上电源抑制比得到提高。

综上所述，LDO采用本发明之压控零点补偿技术后成为双环路系统，压控零点补偿电路不改变LDO主环路的极点，产生零点的同时不引入额外的带内极点，能够应用于电压输出大范围可编程的高性能的大驱动能力LDO，提高了LDO中频段的电源抑制比。本发明之压控零点补偿技术不但能够精确的控制零点位置，且不消耗过多的功耗和面积。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种压控零点补偿电路，应用于LDO中，包括源极跟随器、电流镜电路以及主补偿电容，其特征在于：该压控零点补偿电路至少还包括第一辅助放大器、第二辅助放大器以及切换电路，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器的正向输入端连接于该LDO的输出电压，该第一辅助放大器与该第二辅助放大器的负向输入端通过该主补偿电容接地，该切换电路连接于该第一辅助放大器与该第二辅助放大器之输出端与该源极跟随器之间，以控制该第一辅助放大器与该第二辅助放大器切换工作。

2.如权利要求1所述的压控零点补偿电路，其特征在于：该压控零点补偿电路还包括一辅助电容，该辅助电容连接于一电源与该主补偿电容之间，其与该主补偿电容的中间节点连接于该第一辅助放大器及该第二辅助放大器的负向输入端。

3.如权利要求2所述的压控零点补偿电路，其特征在于：该辅助电容远小于该主补偿电容；该主补偿电容为pf级电容，该辅助电容为ff级电容。

4.如权利要求1所述的压控零点补偿电路，其特征在于：该压控零点补偿电路还包括电流镜镜像零极点对，利用电流镜镜像极点频率＝1/2镜像零点频率，将镜像零极点对频率控制在压控零点和esr零点之间，调整压控零点和esr零点的相对位置。

5.如权利要求1所述的压控零点补偿电路，其特征在于：该第一辅助放大器与该第二辅助放大器的增益均大于40dB。

6.如权利要求1所述的压控零点补偿电路，其特征在于：该电流镜电路连接于该源极跟随器及该LDO的反馈电压，其用于将该源极跟随器的偏置电流的镜像比例倍增m，使流入LDO反馈电阻的压控电流增大到m倍，实现零点频率降低m倍。