CN103412602B

CN103412602B - 一种无电容型低压差线性稳压器

Info

Publication number: CN103412602B
Application number: CN201310375689.1A
Authority: CN
Inventors: 吴小刚
Original assignee: 吴小刚
Current assignee: Shenzhen City Qi Puguang electronic Limited by Share Ltd
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN103412602A

Abstract

本发明涉及一种无电容型低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、电源电压输入端、调整管及电阻反馈电路，该无电容型低压差线性稳压器还包括摆率增强电路以及补偿电容，该误差放大器的同相输入端与该电阻反馈电路连接，该误差放大器的反相输入端与该基准电压源连接，该误差放大器的输出端与该摆率增强电路的输入端连接，该摆率增强电路的输出端与该调整管的栅极连接，该调整管的漏极为输出端，该调整管的漏极与该电阻反馈电路连接，该调整管的源极与该电源电压输入端连接，该补偿电容（C1）的一端与该调整管的栅极连接，另一端与该调整管的输出端连接。

Description

一种无电容型低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及一种稳压器，特别是指一种没有电容的低压差线性稳压器。

背景技术

LDO(low dropout regulator)低压差线性稳压器，是电源管理领域中的一类重要电路，具有体积小、外围元器件少、结构简单、输出噪声小、成本低、低功耗等优点，广泛应用于电子系统中。

如图1所示，典型的LDO电路一般由基准电压源Vref、误差放大器、电源电压输入端VDD、调整管Mp及电阻反馈电路构成，误差放大器的同相输入端与电阻反馈电路连接，反相输入端与基准电压源Vref连接，输出端与调整管Mp的栅极连接，调整管Mp的漏极为输出端，并与电阻反馈电路连接，调整管Mp的源极与电源电压输入端VDD连接，具体的，电阻反馈电路包括第一电阻R1及第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端连接，并与误差放大器的正相输入端连接，第一电阻R1的另一端与输出端连接，第二电阻的另一端与地线连接，调整管Mp一般采用MOS管，如PMOS管，使用时，负载RL一般跨接在输出端与地线之间，片外电容CL与负载并联，其原理是通过带隙基准源产生的稳定电压以及负反馈控制环路得到基本不随环境变化的输出电压。为了提高带负载能力，一般调整管Mp的面积很大，从而在调整管Mp栅极形成数十pF的寄生电容，同时为降低LDO的功耗，静态工作电流很小，从而对调整管Mp栅极充放电将比较缓慢，在输出负载电流跳变时，输出电压将产生大的上冲、下冲电压尖峰，同时电压恢复稳定时间也将比较长。

与传统型LDO相比，无电容型LDO的最大区别在于电路结构少了输出端并联大电容。传统型LDO中，该大电容是一个很重要的电荷储存和提供器件，能有效减小由于负载电流瞬态变化引起的输出电压的跌落和过冲。对于无电容型LDO，负载电流的瞬态变化必须依靠调整管的快速响应，即调整管栅极电压跟随负载电流的变化能够快速做出响应。

近年来，涌现出很多无电容型LDO解决方案，但是大多数方案瞬态响应并不是很好。

发明内容

本发明的目的是要提高无电容型LDO的瞬态响应，提供一种无电容型低压差线性稳压器，本发明的一种无电容型低压差线性稳压器具有静态功耗低、稳定性好等优点。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，一种无电容型低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、电源电压输入端、调整管及电阻反馈电路，该无电容型低压差线性稳压器还包括摆率增强电路以及补偿电容，该误差放大器的同相输入端与该电阻反馈电路连接，该误差放大器的反相输入端与该基准电压源连接，该误差放大器的输出端与该摆率增强电路的输入端连接，该摆率增强电路的输出端与该调整管的栅极连接，该调整管的漏极为输出端，该调整管的漏极与该电阻反馈电路连接，该调整管的源极与该电源电压输入端连接，该补偿电容(C1)的一端与该调整管的栅极连接，另一端与该调整管的输出端连接。

该误差放大器包括偏置电压输入端、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管及第五NMOS管，该第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极连接，该第二PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第一PMOS管的漏极与第四NMOS管的栅极连接，该第四NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第二PMOS管的栅极与该第一NMOS管的漏极连接，该第三PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，同时该第三PMOS管的栅极与该第二NMOS管的漏极连接，该第四PMOS管的栅极与该第三PMOS管的栅极连接，该第四PMOS管的漏极与该第五NMOS管的栅极连接，该第五NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第一NMOS管的栅极为误差放大器反相输入端，该第一NMOS管的源极与该第三NMOS管的漏极连接，该第二NMOS管的栅极为误差放大器正相输入端，该第二NMOS管的源极与该第三NMOS管的漏极连接，该第一PMOS管、该第二PMOS管、该第三PMOS管以及该第四PMOS管的源极都与该电源电压输入端连接，该第三NMOS管、该第四NMOS管及该第五NMOS管的源极都与地连接，该第三NMOS管的栅极与该偏置电压输入端连接，以产生尾电流。

该摆率增强电路包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管，该第五PMOS管与该第六PMOS管栅极及该第七PMOS管栅极连接，该第五PMOS的栅极与自身漏极连接，同时该第五PMOS的栅极与该第六NMOS管漏极连接，该第六PMOS管漏极与该第七NMOS管漏极连接，同时该第六PMOS管漏极与该调整管(Mp)的栅极连接，该第七PMOS管漏极与该第九NMOS管漏极连接，该第九NMOS管栅极与其自身的漏极连接，同时该第九NMOS管栅极与该第八NMOS管栅极连接，该第八NMOS管漏极与该调整管(Mp)栅极连接，该第七NMOS管栅极连接偏置电压(Vb)，该第七NMOS管漏极与该调整管(Mp)栅极连接，该第六NMOS管的栅极与该误差放大器输出连接，该第六NMOS管漏极与该第五PMOS管的漏极连接，电容(C2)一端与该第八NMOS管栅极连接，另一端接地，该第五PMOS管、该第六PMOS管、该第七PMOS管源极都与输入电压(VDD)连接，该第六NMOS管、该第七NMOS管、该第八NMOS管、该第九NMOS管源极都与地连接。

该电阻反馈电路包括第一电阻及第二电阻，该第一电阻的一端与该第二电阻的一端连接，同时该第一电阻的该端与该误差放大器的同相输入端连接，该第一电阻的另一端与该无电容型低压差线性稳压器的输出端连接，该第二电阻的另一端与地线连接。

该调整管为PMOS管。

本发明的有益效果是，在本发明方案中的一种无电容型低压差线性稳压器，通过集成摆率增强电路使摆率增强，提高了低压差线性稳压器的瞬态响应和系统稳定性。

附图说明

图1为传统LDO的系统框图。

图2为本发明一种无电容型低压差线性稳压器的系统框图。

图3为本发明实施例中一种无电容型低压差线性稳压器的电路示意图。

图4为本发明实施例中电源电压2.1V输出负载100mA的增益相位曲线图。

图5为本发明实施例中电源电压2.1V输出负载0A的增益相位曲线图。

图6为本发明实施例中电源电压2.1V输出负载1us由0A跳到100mA，再由100mA跳到0A的瞬态特性图。

具体实施方式

说明书附图中的Vref为基准电压源，VDD为电源电压，Mp为调整管，C1为补偿电容，Va、Vb为偏置电压，MA₁为第一PMOS管，MA₂为第二PMOS管，MA₃为第三PMOS管，MA₄为第四PMOS管，MA₅为第一NMOS管，MA₆为第二NMOS管，MA₇为第三NMOS管，MA₈为第四NMOS管，MA₉为第五NMOS管，MB₁为第五PMOS管，MB₂为第六PMOS管，MB₃为第七PMOS管，MB₄为第六NMOS管，MB₅为第七NMOS管，MB₆为第八NMOS管，MB₇为第九NMOS管，R1为第一电阻，R2为第二电阻，RL为负载，CL为片内负载电容。

如图2至6所示，本发明的一种无电容型低压差线性稳压器的系统框图如图2。本发明的一种无电容型低压差线性稳压器，包括基准电压源Vref、误差放大器、电源电压输入端、调整管Mp、电阻反馈电路、摆率增强电路及补偿电容C1，所述误差放大器的反相输入端与基准电压源Vref连接，同相输入端与电阻反馈电路连接，输出端与摆率增强电路的输入端连接，摆率增强电路的输出端与调整管Mp的栅极连接，调整管Mp的漏极为输出端，并与电阻反馈电路连接，调整管Mp的源极与电源电压输入端连接，补偿电容C1的一端与调整管Mp的栅极连接，另一端与输出端连接。

本发明实施例的一种无电容型低压差线性稳压器的系统框图如图2所示，电路示意图如图3所示。本例的一种无电容型低压差线性稳压器，包括基准电压源Vref、误差放大器、电源电压输入端、调整管Mp、电阻反馈电路、摆率增强电路及补偿电容C1，所述误差放大器的反相输入端与基准电压源Vref连接，同相输入端与电阻反馈电路连接，输出端与摆率增强电路的输入端连接，摆率增强电路的输出端与调整管Mp的栅极连接，调整管Mp的漏极为输出端，并与电阻反馈电路连接，调整管Mp的源极与电源电压输入端连接，补偿电容C1的一端与调整管Mp的栅极连接，另一端与输出端连接，本例中，调整管Mp为PMOS管，电源电压输入端输入电源电压VDD。

本例中误差放大器包括，偏置电压输入端、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管及第五NMOS管，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，第一PMOS管的漏极与第四NMOS管的栅极连接，第四NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，第二PMOS管的栅极与第一NMOS管的漏极连接，第三PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，并与第二NMOS管的漏极连接，第四PMOS管的栅极与第三PMOS管的栅极连接，漏极与第五NMOS管的栅极连接，第五NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，第一NMOS管的栅极为误差放大器反相输入端，源极与第三NMOS管的漏极连接，第二NMOS管的栅极为误差放大器正相输入端，源极与第三NMOS管的漏极连接，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管及第四PMOS管的源极都与电源电压输入端连接，第三NMOS管、第四NMOS管及第五NMOS管的源极都与地连接，第三NMOS管的栅极与偏置电压输入端连接，以产生尾电流。

本例中的摆率增强电路包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管，所述第五PMOS管与第六PMOS管栅极及第七PMOS管栅极连接，其栅极与自身漏极连接，并与第六NMOS管漏极连接，第六PMOS管漏极与第七NMOS管漏极连接，并与调整管Mp的栅极连接，第七PMOS管漏极与第九NMOS管漏极连接，第九NMOS管栅极与漏极连接，并与第八NMOS管栅极连接，第八NMOS管漏极与调整管Mp栅极连接，第七NMOS管栅极连接偏置电压，漏极与调整管Mp栅极连接，第六NMOS管的栅极与误差放大器输出连接，漏极与第五PMOS管的漏极连接，电容C2一端与第八NMOS管栅极连接，另一端接地，第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管源极都与输入电压VDD连接，第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管源极都与地连接。

本例中的电阻反馈电路包括第一电阻R1及第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第二电阻R2的一端连接，并与误差放大器的同相输入端连接，第一电阻R1的另一端与输出端连接，第二电阻R2的另一端与地线连接。

使用时，负载RL跨接在输出端与地线之间。

摆率增强电路为本发明的重点，摆率增强的作用是在负载变化的时候能快速改变调整管Mp的栅极输入，从而在极短的时间内调整输出电压稳定。

当负载由轻载跳到重载时，输出电压将会有下冲电压，通过误差放大器放大，摆率增强电路的输入端，即第六NMOS管MB₄的栅极电容将被快速放电，第六NMOS管MB₄的栅极电压降低，流过第五PMOS管MB₁的电流减小，第六PMOS管MB₂、第七PMOS管MB₃镜像第五PMOS管MB₁电流，流过第六PMOS管MB₂、第七PMOS管MB₃电流减小，第八NMOS管MB₆通过第九NMOS管MB₇镜像第七PMOS管MB₃电流，第八NMOS管MB₆电流减小，电容C2使得第八NMOS管MB₆栅极电压的变化变缓，即第八NMOS管MB₆的电流变化将迟于第六PMOS管MB₂电流的变化，从而将有更多电流为调整管Mp栅极电容放电，加快系统稳定。

当负载由重载跳到轻载时，输出电压将会有上冲电压，通过误差放大器放大，摆率增强电路的输入端，即第六NMOS管MB₄的栅极电容将被快速充电，第六NMOS管MB₄的栅极电压升高，流过第五PMOS管MB₁的电流增大，第六PMOS管MB₂、第七PMOS管MB₃镜像第五PMOS管MB₁电流，流过第六PMOS管MB₂、第七PMOS管MB₃电流增大，第八NMOS管MB₆通过第九NMOS管MB₇镜像第七PMOS管MB₃电流，第八NMOS管MB₆电流增大，电容C2使得第八NMOS管MB₆栅极电压的变化变缓，即第八NMOS管MB₆的电流变化将迟于第六PMOS管MB₂电流的变化，从而第六PMOS管MB₂将有更多电流为调整管Mp栅极电容放电，加快系统稳定。

本发明LDO主要有三个极点分别如下所示：

P 1 = \frac{1}{P_{par} * C_{par}}

P 2 = \frac{1}{Cout * Rout}

P 3 = \frac{1}{Co * Ro}

其中，P1是调整管Mp栅极极点对应R_par和C_par，P2为本发明LDO输出端对应的输出极点，P3是误差放大器输出极点对应R_O和C_O，Resr为片外负载电容的寄生电阻，R_par为摆率增强电路等效输出电阻，C_par为调整管栅极的等效电容，C_O为误差放大器的负载电容，R_O为误差放大器的输出电阻，Rout是LDO的输出等效电阻，Rout＝1/(gdsp+GL)，其中gdsp为调整管Mp的输出等效电导，GL为负载电阻RL的倒数。

稳定性分析：

调整管Mp栅极极点P1为主极点，为保证系统稳定，在调整管Mp的栅极和漏极跨接补偿电容C1，使得主极点P1向更低频靠近。

LDO输出端极点P2为次级点，片内负载电容值0～100pF。

尽量减小第六NMOS管MB₄的尺寸，从而使误差放大器输出极点P3工作在高频处。

如图4所示，为电源电压2.1V输出负载100mA的增益相位曲线图。A为相位曲线，B为增益曲线。在负载100mA时，相位裕度为69.9°，系统稳定。

如图5所示，为电源电压2.1V输出负载0A的增益相位曲线图。A为相位曲线，B为增益曲线。在负载为0A时，相位裕度为64.2°，系统稳定。

如图6所示，为电源电压2.1V输出负载1us由0A跳到100mA，再由100mA跳到0A的瞬态特性图。A为无摆率增强电路LDO的输出电压随负载电流的变化曲线，B为本发明LDO的输出电压随负载电流的变化曲线，C为负载电流的瞬态变化曲线。

无摆率增强电路LDO的输入电压1us由0A跳到100mA时，输出电压下冲的峰值为261mV；在负载1us由100mA跳到0A时，输出电压的上冲的峰值为227mV。

本发明LDO的输出电压在负载1us由0A跳到100mA时，输出电压下冲的峰值为87mV，在负载1us由200mA跳到0A时，输出电压的上冲峰值为98.6mV，比较无摆率增强电路的LDO与本发明LDO的瞬态响应，本发明LDO的瞬态响应有很大提升。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限与这样的特别陈述和实例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本方向的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本方面技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利保护范围当中。

Claims

1.一种无电容型低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、电源电压输入端、调整管及电阻反馈电路，其特征在于，该无电容型低压差线性稳压器还包括摆率增强电路以及补偿电容，该误差放大器的同相输入端与该电阻反馈电路连接，该误差放大器的反相输入端与该基准电压源连接，该误差放大器的输出端与该摆率增强电路的输入端连接，该摆率增强电路的输出端与该调整管的栅极连接，该调整管的漏极为输出端，该调整管的漏极与该电阻反馈电路连接，该调整管的源极与该电源电压输入端连接，该补偿电容(C1)的一端与该调整管的栅极连接，另一端与该调整管的输出端连接，

2.如权利要求1所述的一种无电容型低压差线性稳压器，其特征在于：该误差放大器包括偏置电压输入端、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管及第五NMOS管，该第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极连接，该第二PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第一PMOS管的漏极与第四NMOS管的栅极连接，该第四NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第二PMOS管的栅极与该第一NMOS管的漏极连接，该第三PMOS管的栅极与其自身的漏极连接，同时该第三PMOS管的栅极与该第二NMOS管的漏极连接，该第四PMOS管的栅极与该第三PMOS管的栅极连接，该第四PMOS管的漏极与该第五NMOS管的栅极连接，该第五NMOS管的栅极与其自身的漏极连接，该第一NMOS管的栅极为误差放大器反相输入端，该第一NMOS管的源极与该第三NMOS管的漏极连接，该第二NMOS管的栅极为误差放大器正相输入端，该第二NMOS管的源极与该第三NMOS管的漏极连接，该第一PMOS管、该第二PMOS管、该第三PMOS管以及该第四PMOS管的源极都与该电源电压输入端连接，该第三NMOS管、该第四NMOS管及该第五NMOS管的源极都与地连接，该第三NMOS管的栅极与该偏置电压输入端连接，以产生尾电流。

3.如权利要求1所述的一种无电容型低压差线性稳压器，其特征在于：该电阻反馈电路包括第一电阻及第二电阻，该第一电阻的一端与该第二电阻的一端连接，同时该第一电阻的该端与该误差放大器的同相输入端连接，该第一电阻的另一端与该无电容型低压差线性稳压器的输出端连接，该第二电阻的另一端与地线连接。

4.如权利要求1所述的一种无电容型低压差线性稳压器，其特征在于：该调整管为PMOS管。