CN103268134A - 可提高瞬态响应的低压差电压调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低压差电压调节器，至少包括：误差放大器，负输入端连接一参考电压，正输入端连接第一采样电路；输出管，源极接电源电压，栅极接该误差放大器输出端，漏极接输出电压；第一取样电路，连接于该输出电压，以对该输出电压取样后提供给该误差放大器的正输入端；第二取样电路，连接于该输出电压，用于对该输出电压取样，输出端连接瞬态控制电压产生电路；以及瞬态控制电压产生电路，输出端连接于该输出管栅极，用于产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，以控制该输出管提供稳定的输出，通过本发明，可提高电路的响应速度。

Description

可提高瞬态响应的低压差电压调节器
技术领域
本发明关于一种低压差电压调节器，特别是涉及一种可提高瞬态响应的低压差电压调节器。
背景技术
目前，很多诸如锁相环PLL和模数变换器ADC等越来越多的对电源参数敏感的电路对供电电源的纹波PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)要求越来越高，供电电源普遍采用低压差调节器(LDO regulator)。
近来，对低压差电压调节器(LDO)的响应速度要求越来越高，尤其是在输出Vout的去耦电容很小的时候。图1为现有技术一种低压差调节器的电路示意图。如图1所示，该低压差调节器包括误差放大器10、PMOS管MP1、电阻R1、R2以及负载电容CL，误差放大器10接电源电压，其负输入端接参考电压Vref，输出端接PMOS管MP1栅极，PMOS管MP1源极接电源电压，漏极通过串联的电阻R1、R2接地，同时输出Vout，负载电容接于PMOS管MP1漏极输出的Vout上，电阻R1、R2用于对输出Vout进行采样，其中间节点接于误差放大器10的负输入端。
可见，现有技术中的低压差电压调节器将形成如图所示的负反馈，这就存在如下问题：固有的负反馈环路的带宽较窄而在负载电流突变时不能快速响应。
发明内容
为克服上述现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种低压差电压调节器，其通过一瞬态控制电压产生电路产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管具有稳定的输出，提高了电路的响应速度。
为达上述及其它目的，本发明提供了一种低压差电压调节器，至少包括：
误差放大器，负输入端连接一参考电压，正输入端连接第一采样电路；
输出管，源极接电源电压，栅极接该误差放大器输出端，漏极接输出电压；
第一取样电路，连接于该输出电压，以对该输出电压取样后提供给该误差放大器的正输入端；
第二取样电路，连接于该输出电压，用于对该输出电压取样，输出端连接瞬态控制电压产生电路；以及
瞬态控制电压产生电路，输出端连接于该输出管栅极，用于产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，以控制该输出管提供稳定的输出。
进一步地，该第一取样电路与该第二取样电路为取样节点不同的同一取样电路。
进一步地，取样电路包括依次串联连接于该输出电压与地之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，该第二电阻与第三电阻的中间结点为该第一取样电路的取样节点，该第一电阻与第二电阻的中间节点及第三电阻与第四电阻的中间节点为该第二取样电路的取样节点。
进一步地，该瞬态控制电压产生电路包括电压比较电路以及推挽控制电路，该电压比较电路用于将该第二取样电路取样的电压信号分别与参考电压进行比较，产生相应的控制信号；该推挽控制电路输入端接该电压比较电路的输出端，输出端连接于该输出管栅极，以在相应的控制信号控制下，以产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管输出稳定的输出。
进一步地，该电压产生电路包括第一比较器及第二比较器，该第一比较器及第二比较器的负输入端连接该第二取样电路以获得该第二取样电路的取样信号，正输入端均连接参考电压，输出端连接该推挽控制电路；该推挽控制电路包括一PMOS管及NMOS管，该PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二比较器输出端，漏极接该NMOS管漏极，并同时接该误差放大器的输出端及该输出管栅极，该NMOS管栅极接该第一比较器输出端，源极接地。
进一步地，该第一比较器负输入端连接于该第一电阻与该第二电阻的中间节点，该第二比较器负输入端连接于该第三电阻与该第四电阻的中间节点。
进一步地，该瞬态控制电压产生电路包括电压比较电路以及电容分压电路，该电压比较电路包括第一比较器及第二比较器，该第一比较器及该第二比较器的正输入端接接第二取样电路，以获得该第二取样电路的取样信号，负输入端接该参考电压，输出端接该电容分压电路，以产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，控制该输出管输出稳定的输出。
进一步地，该电容分压电路包括第一电容及第二电容，该第一电容一端接于该第二比较器输出端，该第二电容一端接于该第一比较器输出端，该第一电容及第二电容的另一端接该误差放大器的输出端及该输出管的栅极。
进一步地，该第一取样电路包括串联接于该输出电压与地之间的第一电阻及第二电阻，该第二取样电路为负载许可发生器，其包括多个负载电路，每个负载电路都连接于该输出电压，以输出许可信号至该瞬态控制电压产生电路。
进一步地，该瞬态控制电压产生电路包括逻辑电路及电容分压电路，其中该逻辑电路包括多个反相器，每个反相器的输入端与一负载电路相连以获得许可信号，每个反相器的输出端接于该电容分压电路；该电容分压电路包括多个电容，每个电容的一端接一反相器的输出端，另一端均接于该误差放大器输出端及该输出管的栅极。
与现有技术相比，本发明一种低压差电压调节器通过一瞬态控制电压产生电路产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管提供稳定的输出，实现了提高电路的响应速度的目的。
附图说明
图1为现有技术中一种低压差电压调节器的电路示意图；
图2为本发明一种低压差电压调节器的系统结构图；
图3为本发明一种低压差电压调节器之第一较佳实施例的电路示意图；
图4为本发明一种低压差电压调节器之第二较佳实施例的电路示意图；
图5为本发明一种低压差电压调节器之第三较佳实施例的电路示意图。
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2为本发明一种低压差电压调节器的系统结构图。如图2所示，本发明一种低压差电压调节器，包括：误差放大器20、输出管MP0、第一取样电路21、第二取样电路22以及瞬态控制电压产生电路23。
其中，误差放大器20负输入端连接一参考电压Vref，正输入端连接第一采样电路21，输出端接输出管MP0栅极；输出管MP0为PMOS管，其源极接电源电压，漏极接输出电压Vout，并接于第一取样电路21及第二取样电路22；第一取样电路21，用于对输出电压Vout取样后提供给误差放大器20的正输入端；第二取样电路22，用于对输出电压Vout取样，其输出端连接瞬态控制电压产生电路23，以将取样电压提供给瞬态控制电压产生电路23；瞬态控制电压产生电路23，连接于输出管MP0栅极，用于产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，以控制输出管MP0提供稳定的输出。
图3为本发明一种低压差电压调节器之第一较佳实施例的电路示意图。在本发明第一较佳实施例中，第一取样电路21与第二取样电路22为同一取样电路，仅为取样节点不同，取样电路包括串联的R1、R2、R3及R4，R1、R2、R3及R4依次串联连接于输出电压Vout与地之间，R2与R3之间的节点连接于误差放大器20的正输入端，以对输出电压Vout取样，R1与R2之间的节点及R3与R4之间的节点连接于瞬态控制电压产生电路23，以对输出电压Vout取样后提供给瞬态控制电压产生电路23。在本发明第一较佳实施例中，瞬态控制电压产生电路23包括电压比较电路230以及推挽控制电路231，电压比较电路230用于将第二取样电路22取样的电压信号分别与参考电压Vref进行比较，产生相应的控制信号；推挽控制电路231，其输入端电压比较电路230的输出端，输出端连接于输出管MP1栅极，以在相应的控制信号控制下，以产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管MP0输出稳定的输出。
在本发明第一较佳实施例中，电压比较电路230包括第一比较器CMP1及第二比较器CMP2，第一比较器CMP1及第二比较器CMP2的负输入端连接第二取样电路22，以获得第二取样电路22的取样信号，具体地说，第一比较器CMP1负输入端连接于电阻R1与电阻R2的中间节点，第二比较器CMP2负输入端连接于电阻R3与电阻R4的中间节点，第一比较器CMP1及第二比较器CMP2的正输入端均连接参考电压Vref，输出端连接推挽控制电路231；推挽控制电路231包括PMOS管MP1及NMOS管MN1，MP1源极接电源电压，栅极接第二比较器CMP2输出端，漏极接MN1漏极，并同时接误差放大器20的输出端及输出管MP0栅极，NMOS管MN1栅极接第一比较器CMP1输出端，源极接地。
以下将配合图3说明本发明第一较佳实施例的工作原理：当VOUT稳定时，PMOS管MP1栅极电压V(B)为高而NMOS管MN1栅极电压V(C)为低，两管均关闭，当负载电流出现突变时，输出电压相应突变，取样电路快速响应，采样电压送至第一比较器及第二比较器进行比较，当VOUT下降至设定值后，第一比较器CMP1的反相输入端电压下降使第一比较器CMP1输出增加直至输出高电压，MN1导通，MN1漏极电压即节点A电压V(A)降低，从而输出管MP0管导通电阻减小，输出电压VOUT上升，相反，当VOUT上升至设定值后，第二比较器CMP2的反相输入端电压上升使第二比较器CMP2输出下降直至输出低电压，MP1导通，MP1漏极电压即节点A电压V(A)升高，从而输出管MP0导通电阻增大，输出电压VOUT下降，由于电压比较电路230、推挽控制电路231及取样电路的响应速度都很快，故可以对负载突变做出快速响应。
图4为本发明一种低压差电压调节器之第二较佳实施例的电路示意图。在本发明第二较佳实施例中，与第一较佳实施例不同的是，这里瞬态控制电压产生电路23包括电压比较电路232以及电容分压电路233，电压比较电路232的第一比较器CMP1及第二比较器CMP2的正输入端接接第二取样电路22，以获得第二取样电路22的取样信号，负输入端接参考电压Vref，即第一比较器CMP1正输入端连接于电阻R1与电阻R2的中间节点，第二比较器CMP2正输入端连接于电阻R3与电阻R4的中间节点，电容分压电路233包括电容Ca及电容Cb，电容Ca一端接于第二比较器CMP2输出端，电容Cb一端接于第一比较器CMP1输出端，电容Ca及电容Cb的另一端接误差放大器20的输出端及输出管MP0的栅极。
以下将配合图4说明本发明第二较佳实施例的工作原理：当VOUT稳定时，第二比较器CMP2输出V(L)为低压，第一比较器CMP1输出V(H)为高压，节点A电压V(A)稳定在设计值，当负载电流出现突变时，输出电压相应突变，电压采样网络快速响应，采样电压送至电压比较电路进行比较，当VOUT下降至设定值后，第一比较器CMP1的同相输入端电压下降使第一比较器CMP1输出下降至低电压，节点A电压下降为V0(A)-[Cb/(Cb+Cp)]xVDD，其中V0(A)是VOUT稳定时的节点A的电压，Cp是输出管MP0(PMOS管)的栅极电容，从而输出管MP0导通电阻减小，输出电压VOUT上升，相反，当VOUT上升至设定值后，第二比较器CMP2的同相输入端电压上升使第二比较器CMP2输出上升至高电压，节点A电压上升为V0(A)+[Ca/(Ca+Cp)]xVDD，从而输出管MP0导通电阻增大，输出电压VOUT下降，由于电压比较电路232、电容分压电路233及取样电路的响应速度都很快，故可以对负载突变做出快速响应。
图5为本发明一种低压差电压调节器之第三较佳实施例的电路示意图。本发明第三较佳实施例是基于第二较佳实施例，实现更复杂的采样。在本发明第三较佳实施例中，第一取样电路21包括串联接于输出电压Vout的电阻R1、R2，第二取样电路22为负载许可发生器，其包括多个负载电路(Load Circuitl...LoadCircuitm)，每个负载电路连接于输出电压Vout，输出许可信号load_en1...load_enm至瞬态控制电压产生电路23。瞬态控制电压产生电路23包括逻辑电路234及电容分压电路235，其中逻辑电路234包括多个反相器，每个反相器的输入端与一负载电路相连以获得许可信号load_enl...load_enm，每个反相器的输出端接于电容分压电路235；电容分压电路235包括多个电容C1...Cm，每个电容的一端接一反相器的输出端，另一端均接于误差放大器输出端及输出管MP0的栅极。
以下将配合图5说明本发明第三较佳实施例的工作原理：在片上系统(SOC)中有许多耗电模块，其供电一般均来自同一LDO，模块何时工作以及功耗是确定的，利用各模块的工作许可信号结合各自的功耗设计相应的附加电路可以更准确的改善瞬态响应速度，各模块对应不同的电容分压电路，m个模块的话对应C1～Cm个分压电容，举例来说，若负载电路1工作，许可信号load_enl由低变高，逻辑门输出V1由高变低，导致节点A电压V(A)下降[C1/(C1+Cp)]xVDD，从而输出管MP0导通电阻变小，输出电压升高，反之亦然。
综上所述，本发明一种低压差电压调节器通过一瞬态控制电压产生电路产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管输出稳定的输出，实现了提高电路的响应速度的目的。
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 (10)

1.一种低压差电压调节器，至少包括：
误差放大器，负输入端连接一参考电压，正输入端连接第一采样电路；
输出管，源极接电源电压，栅极接该误差放大器输出端，漏极接输出电压；
第一取样电路，连接于该输出电压，以对该输出电压取样后提供给该误差放大器的正输入端；
第二取样电路，连接于该输出电压，用于对该输出电压取样，输出端连接瞬态控制电压产生电路；以及
瞬态控制电压产生电路，输出端连接于该输出管栅极，用于产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，以控制该输出管提供稳定的输出。
2.如权利要求1所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该第一取样电路与该第二取样电路为取样节点不同的同一取样电路。
3.如权利要求2所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：取样电路包括依次串联连接于该输出电压与地之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，该第二电阻与第三电阻的中间结点为该第一取样电路的取样节点，该第一电阻与第二电阻的中间节点及第三电阻与第四电阻的中间节点为该第二取样电路的取样节点。
4.如权利要求3所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该瞬态控制电压产生电路包括电压比较电路以及推挽控制电路，该电压比较电路用于将该第二取样电路取样的电压信号分别与参考电压进行比较，产生相应的控制信号；该推挽控制电路输入端接该电压比较电路的输出端，输出端连接于该输出管栅极，以在相应的控制信号控制下，以产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压控制输出管输出稳定的输出。
5.如权利要求4所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该电压产生电路包括第一比较器及第二比较器，该第一比较器及第二比较器的负输入端连接该第二取样电路以获得该第二取样电路的取样信号，正输入端均连接参考电压，输出端连接该推挽控制电路；该推挽控制电路包括一PMOS管及NMOS管，该PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二比较器输出端，漏极接该NMOS管漏极，并同时接该误差放大器的输出端及该输出管栅极，该NMOS管栅极接该第一比较器输出端，源极接地。
6.如权利要求5所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该第一比较器负输入端连接于该第一电阻与该第二电阻的中间节点，该第二比较器负输入端连接于该第三电阻与该第四电阻的中间节点。
7.如权利要求3所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该瞬态控制电压产生电路包括电压比较电路以及电容分压电路，该电压比较电路包括第一比较器及第二比较器，该第一比较器及该第二比较器的正输入端接接第二取样电路，以获得该第二取样电路的取样信号，负输入端接该参考电压，输出端接该电容分压电路，以产生一个快速跟随输出信号变化的控制电压，控制该输出管输出稳定的输出。
8.如权利要求7所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该电容分压电路包括第一电容及第二电容，该第一电容一端接于该第二比较器输出端，该第二电容一端接于该第一比较器输出端，该第一电容及第二电容的另一端接该误差放大器的输出端及该输出管的栅极。
9.如权利要求1所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该第一取样电路包括串联接于该输出电压与地之间的第一电阻及第二电阻，该第二取样电路为负载许可发生器，其包括多个负载电路，每个负载电路都连接于该输出电压，以输出许可信号至该瞬态控制电压产生电路。
10.如权利要求9所述的一种低压差电压调节器，其特征在于：该瞬态控制电压产生电路包括逻辑电路及电容分压电路，其中该逻辑电路包括多个反相器，每个反相器的输入端与一负载电路相连以获得许可信号，每个反相器的输出端接于该电容分压电路；该电容分压电路包括多个电容，每个电容的一端接一反相器的输出端，另一端均接于该误差放大器输出端及该输出管的栅极。
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