CN103744462A - 一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器及其调节方法，低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器包括运算放大器单元、瞬态增强电路单元、反馈单元、驱动管和补偿电路单元，运算放大器单元包括第一级放大器和第二级放大器，第一级放大器输出端接第二级放大器输入端，第二级放大器输出端接驱动管栅极和瞬态增强电路单元输出端，反馈单元包括第一电阻和第二电阻，驱动管源极接第一电阻第一端，第一电阻第二端接第二电阻第一端，并接第一级放大器输入端，第一电阻第一端接瞬态增强电路输入端，瞬态增强电路输出端接驱动管栅极，第一电阻第一端通过补偿电路单元接第二级运算放大器输入端，本发明提高了低压差线性稳压器的瞬态响应能力。

Description

一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器及其调节方法

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，具体涉及到一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器及其调节方法。 

背景技术

低压差线性稳压器（简称LDO）具有结构简单、成本低、输出噪声低等优点。LDO是电源管理模块中一个非常重要的类型。随着便携式电子产品设备的广泛应用，对LDO的性能也提出了新的要求：更低的功耗，更小的静态电流，更好的瞬态响应，更优的补偿电路，更大的输出电流。 

LDO的瞬态响应包含负载瞬态响应和线性瞬态响应，其负载瞬态响应指当输出电流突变时引起输出电压的变化情况，线性瞬态响应是指当输入电压突变时引起输出电压的变化情况。对于应用LDO较多的便携式产品中，一般输入电压突变的情况很小，而负载电流突变的情况很普通，所以对LDO的负载瞬态响应的研究越来越受到重视。 

传统的LDO如图1所示的电路结构，需在输出端额外增加一个大的输出电容，其电容的值达到μF。这种结构虽然稳定，而且负载瞬态响应好，但是增加的外围输出电容使得芯片的使用更加复杂，LDO的零极点不容易控制。片外无电容的LDO结构是现在研究的热点。现在也已经提出了很多瞬态增强电路来提高无片外电容的LDO的瞬态响应。但是这些传统的LDO瞬态响应增强电路结构十分复杂，功耗比较大，容易对电路的稳定性造成影响。 

发明内容

为了克服已有技术的缺陷与不足，本发明首先提出了一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器。 

本发明的技术方案为：一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器包括运算放大器单元、瞬态增强电路单元、反馈单元、驱动管和补偿电路单元，所述运算放大器单元包括第一级运算放大器和第二级运算放大器，第一级运算放大器的输出端连接至第二级运算放大器的输入端，第二级运算放大器的输出端分别与驱动管的栅极和瞬态增强电路单元的输出端连接，反馈单元包括第一电阻和第二电阻，驱动管的源极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，且与第一级运算放大器的输入端连接，第二电阻的第二端接地，第一电阻的第一端作为低压差线性稳压器电路输出端与瞬态增强电路单元的输入端连接，瞬态增强电路单元的输出端连接至驱动管的栅极，低压差线性稳压器电路输出端通过补偿电路单元连接至第二级运算放大器的输入端，驱动管的漏极接电源。 

更进一步的，所述的瞬态增强电路单元包括电压检测电路模块、瞬态响应电路模块和偏置电路模块，电压检测电路模块输入端连接第一电阻的第一端，输出端连接瞬态响应电路模块的输入端，瞬态响应电路模块的输出端连接第二级运算放大器的输出端，偏置电路模块为瞬态响应电路模块提供偏置电压。 

更进一步的，所述的瞬态响应电路模块部分包括NMOS管M30、M36、M14、M15、M19 和M18，还包括PMOS管M31、M33、M34、M35、 M12、M13 、M17和 M16，M30的栅极接M18的漏极，M30的源极接地，M30的漏极接M31的源极，M31的栅极接M31的源极并与M33的栅极连接，M33的漏极接电源，M33的源极接驱动管的栅极，M34的栅极接M12管的源极，M34的漏极接电源，M34的源极接M35的漏极，M35的栅极接M35的漏极并与M36的栅极连接，M35的源极接地，M36的源极接地，M36的漏极接驱动管的栅极，M12的漏极和M13的漏极接电源，M12的栅极与M13的栅极相连，M13的栅极接M13的源极并与M15的漏极连接，M15的栅极接M14的栅极，M15的源极接M17的漏极，M17的栅极接M16的栅极，M17的源极和M17的栅极连接后再与M19的漏极连接，M19的漏极接M19的栅极，M19的源极接地，M12的源极接M14的漏极，M14的源极接M16的漏极，M16的源极接M18的漏极，M18的栅极接M19的栅极，M18的源极接地。 

瞬态感应电路中有两条对称的支路，从V_DD端到地端依次串联：一条是M12、M14、M16、M18；另一条是M13、M15、M17、M18，另一条支路包括M30、M31、M33， M31是二极管连接，还有一条支路，包括M34、M35、M36， M35是二极管接法。 

更进一步的，所述瞬态响应电路模块中的PMOS管M12、M13、M16、M17、M31、M33、M34和NMOS管M14、M15、M18、M19、M30、M35、M36工作在亚阈值状态下，且电流由NMOS管M15和PMOS管M17的栅极电压决定。瞬态响应电路的分两条支路，M12、M14、M16、M18和M13、M15、M17、M18，流过它们的电流很小基本达到nA级别，对M30、M31、M33支路，由于它们全部工作在亚阈值状态，流过M30的电流与M30的栅源极之间的电压成指数关系，M33和M31是镜像放大关系，流过M33的电流与M18的漏源极之间的电压成指数关系，即相对于饱和状态下，跨导更大，所以当输出电压快速变大时，瞬态增强电路能快速增大对驱动管栅极的充电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应。同理，对于支路M34、M35、M36，其流过M34的电流与它的栅极与源极之间的电压成指数关系，且M35和M36是电流镜结构，所以流过M36的电流与M12的漏源极之间的电压成指数关系，即相对于饱和状态下，跨导更大，当输出电压降低时，支路能快速的增大驱动管M11栅极的放电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应。 

更进一步的，所述的偏置电路单元包括PMOS管M20和M21，还包括NMOS管M22、M23和M24，M20的漏极接电源，其栅极接M21的栅极，并连接至瞬态响应电路模块中M15的栅极，M20的源极接M22的漏极，M20的栅极接M15的栅极，M22的漏极接M22的栅极，M22的源极接M23的漏极，M23的栅极接所述瞬态响应电路模块中的M19的栅极，M23的源极接地，M21的漏极接电源，M21的栅极接M21的源极且与M24的漏极连接，M24的源极接地，M24的栅极作为偏置电路部分的偏置电压输入端。其中M24的栅极接入基准电压，它的宽长比非常小，所以流过的电流很小。M21、M22、M23是二极管连接，M20和M21组成电流镜，使得流过M20和M21的电流成比例关系。 

所述的偏置电路模块中的NMOS管M24工作在饱和状态， PMOS管M20、M21和NMOS管M22、M23都工作在亚阈值状态下。 

更进一步的，所述的电压检测电路模块包括电容Ct，电容Ct的第一端与第一电阻的第一端相连，电容Ct的第二端与PMOS管M16的漏极连接。 

更进一步的，补偿电路单元采用了米勒补偿方式，米勒电容Cm的一端与第一电阻的第一端连接，另一端与第一级运算放大器的输出端连接。 

更进一步的，所述的驱动管是PMOS管M11。 

本发明的又一目的是提出一种所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器的调节方法，采用该调节方法，可以快速的调节低压差线性稳压器的瞬态响应。 

为了实现上述目的，其技术方案为： 

一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器的调节方法：

当输出电压升高时，电容Ct两端的电压升高， M16的栅源之间的电压升高，带动M30的栅源极之间的电压升高，流过M30的电流随之增大，M33和M31是电流镜结构，流过M30的电流与M30的栅源极之间的电压成指数关系，流过M33的电流与M18的漏源极之间的电压也成指数关系，流过M33的电流也随之增加，增大了对驱动管栅极的充电电流，当输出电压快速变大时，瞬态增强电路快速增大对驱动管栅极的充电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应；

当输出电压降低时，电容Ct两端的电压降低，M14的栅源极之间的电压升高，M14的漏极的电压降低，带动M34的源栅极之间的电压升高，流过M34之间的电流增大，M35和M36是电流镜结构，流过M36的电流与M12的漏源极之间的电压成指数关系，流过M36的电流随之增加，增大了对驱动管栅极的放电电流，当输出电压快速降低时，瞬态增强电路能快速增大对驱动管栅极的放电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用亚阈值MOS管低功耗和高跨导的特点，通过最大限度的增强低压差线性稳压器电路结构的摆率，降低了低压差线性稳压器电路结构的静态功耗，实现了低压差线性稳压器的快速瞬态响应。

附图说明

图1为传统的低压差线性稳压器的结构示意图。 

图2为本发明低压差线性稳压器的结构示意图。 

图3为本发明低压差线性稳压器的电路原理图。 

图4为本发明低压差线性稳压器瞬态增强电路单元结构示意图。 

Claims (10)

1.一种低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器包括运算放大器单元、瞬态增强电路单元、反馈单元、驱动管和补偿电路单元，其特征在于：所述运算放大器单元包括第一级运算放大器和第二级运算放大器，第一级运算放大器的输出端连接至第二级运算放大器的输入端，第二级运算放大器的输出端分别与驱动管的栅极和瞬态增强电路单元的输出端连接，反馈单元包括第一电阻和第二电阻，驱动管的源极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，且与第一级运算放大器的输入端连接，第二电阻的第二端接地，第一电阻的第一端作为低压差线性稳压器电路输出端与瞬态增强电路单元的输入端连接，瞬态增强电路单元的输出端连接至驱动管的栅极，低压差线性稳压器电路输出端通过补偿电路单元连接至第二级运算放大器的输入端，驱动管的漏极接电源。

2.如权利要求1所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的瞬态增强电路单元包括电压检测电路模块、瞬态响应电路模块和偏置电路模块，电压检测电路模块输入端连接第一电阻的第一端，输出端连接瞬态响应电路模块的输入端，瞬态响应电路模块的输出端连接第二级运算放大器的输出端，偏置电路模块为瞬态响应电路模块提供偏置电压。

3.如权利要求2所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的瞬态响应电路模块部分包括NMOS管M30、M36、M14、M15、M19 和M18，还包括PMOS管M31、M33、M34、M35、 M12、M13 、M17和 M16，M30的栅极接M18的漏极，M30的源极接地，M30的漏极接M31的源极，M31的栅极接M31的源极并与M33的栅极连接，M33的漏极接电源，M33的源极接驱动管的栅极，M34的栅极接M12管的源极，M34的漏极接电源，M34的源极接M35的漏极，M35的栅极接M35的漏极并与M36的栅极连接，M35的源极接地，M36的源极接地，M36的漏极接驱动管的栅极，M12的漏极和M13的漏极接电源，M12的栅极与M13的栅极相连，M13的栅极接M13的源极并与M15的漏极连接，M15的栅极接M14的栅极，M15的源极接M17的漏极，M17的栅极接M16的栅极，M17的源极和M17的栅极连接后再与M19的漏极连接，M19的漏极接M19的栅极，M19的源极接地，M12的源极接M14的漏极，M14的源极接M16的漏极，M16的源极接M18的漏极，M18的栅极接M19的栅极，M18的源极接地。

4.如权利要求3所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述瞬态响应电路模块中的PMOS管M12、M13、M16、M17、M31、M33、M34和NMOS管M14、M15、M18、M19、M30、M35、M36工作在亚阈值状态下，且电流由NMOS管M15和PMOS管M17的栅极电压决定。

5.如权利要求2所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的偏置电路单元包括PMOS管M20和M21，还包括NMOS管M22、M23和M24，M20的漏极接电源，其栅极接M21的栅极，并连接至瞬态响应电路模块中M15的栅极，M20的源极接M22的漏极，M20的栅极接M15的栅极，M22的漏极接M22的栅极，M22的源极接M23的漏极，M23的栅极接所述瞬态响应电路模块中的M19的栅极，M23的源极接地，M21的漏极接电源，M21的栅极接M21的源极且与M24的漏极连接，M24的源极接地，M24的栅极作为偏置电路部分的偏置电压输入端。

6.如权利要求5所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的偏置电路模块中的NMOS管M24工作在饱和状态， PMOS管M20、M21和NMOS管M22、M23都工作在亚阈值状态下。

7.如权利要求2所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的电压检测电路模块包括电容Ct，电容Ct的第一端与第一电阻的第一端相连，电容Ct的第二端与PMOS管M16的漏极连接。

8.如权利要求1所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：补偿电路单元采用了米勒补偿方式，米勒电容Cm的一端与第一电阻的第一端连接，另一端与第一级运算放大器的输出端连接。

9.如权利要求1所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器，其特征在于：所述的驱动管是PMOS管M11。

10.一种权利要求1至9任一项所述的低功耗瞬态响应增强低压差线性稳压器的调节方法，其特征在于： 

当输出电压升高时，电容Ct两端的电压升高， M16的栅源之间的电压升高，带动M30的栅源极之间的电压升高，流过M30的电流随之增大，M33和M31是电流镜结构，流过M30的电流与M30的栅源极之间的电压成指数关系，流过M33的电流与M18的漏源极之间的电压也成指数关系，流过M33的电流也随之增加，增大了对驱动管栅极的充电电流，当输出电压快速变大时，瞬态增强电路快速增大对驱动管栅极的充电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应；

当输出电压降低时，电容Ct两端的电压降低，M14的栅源极之间的电压升高，M14的漏极的电压降低，带动M34的源栅极之间的电压升高，流过M34之间的电流增大，M35和M36是电流镜结构，流过M36的电流与M12的漏源极之间的电压成指数关系，流过M36的电流随之增加，增大了对驱动管栅极的放电电流，当输出电压快速降低时，瞬态增强电路能快速增大对驱动管栅极的放电电流，增强了低压差线性稳压器的瞬态响应。

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