CN103792982A - 一种无外接电容的低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无外接电容的低压差线性稳压器，属于集成电路的技术领域。低压差线性稳压器，包括：运算放大器、误差放大器、输出MOS管、电压尖峰检测电路，运算放大器第一输入端、误差放大器第一输入端分别接基准电压，误差放大器第二输入端接运算放大器输出端，输出MOS管栅极接误差放大器输出端，输出MOS管源极接电源正输入端，电压尖峰检测电路输入端接输出MOS管漏极，输出端接所述运算放大器第二输入端，具有高速的电压转换率和快速稳定的瞬态输出响应；可以在较低电压下工作，节省了芯片功耗，适用于低功耗环境中。
Description
技术领域
本发明公开了一种无外接电容的低压差线性稳压器，属于集成电路的技术领域。
背景技术
随着平板电脑、智能手机等便携式设备的普及，人们对电池使用时间长短的要求越来越高，而电源效率是衡量电池寿命的管键指标，因此，静态电流和低输入输出电压差显得尤为重要。低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感度高的电路提供低输出纹波电源，拥有低静态功耗，低噪声，电路结构相对简单，外围元器件少，电路规模小等优点，因而可以被广泛应用于片上系统芯片（SOC，System On Chips）中。
传统的低压差线性稳压器通常要在输出加一个uF级以上的外接电容，用来保证良好的输出负载阶跃响应，然而外接电容的引入无疑会使SOC芯片的面积增加或者使系统的体积增加，导致低压差线性稳压器不能被很好的利用。因而，无外接电容的低压差线性稳压器已经成为线性稳压器中的优先选择。
图1为一种常见的无外接电容的低压差线性稳压器的电路框图，该电路包括误差放大器、缓冲放大器、输出管、分压电路以及补偿电容。该电路去掉了外接电容，但是当负载瞬态变化时，由于没有足够的电容能提供瞬态负载跳变时所需的瞬态电流，同时整个稳压反馈环路的响应时间缓慢，导致输出电压Vout会随着负载电流的变化而产生很大的上冲尖峰电压和下冲尖峰电压，无法满足高性能稳压电源设计的工业级指标。
因而，针对性的提出一种无外接电容且输出瞬态响应快且稳定的低压差线性稳压器将显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种无外接电容的低压差线性稳压器。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种无外接电容的低压差线性稳压器，包括：运算放大器、误差放大器、输出MOS管，所述运算放大器第一输入端、误差放大器第一输入端分别接基准电压，所述误差放大器第二输入端接运算放大器输出端，所述输出MOS管栅极接误差放大器输出端，输出MOS管源极接电源正输入端，
所述无外接电容的低压差线性稳压器还包括电压尖峰检测电路，所述电压尖峰检测电路输入端接所述输出MOS管漏极，输出端接所述运算放大器第二输入端。
所述一种无外接电容的低压差线性稳压器中，电压尖峰检测电路包括第一电容、第一电阻、第七MOS管、第八MOS管，所述第一电容一极接输出MOS管漏极，第一电容的另一极、第一电阻一端分别与第八MOS管的栅极连接，所述第一电阻另一端、第七MOS管漏极以及栅极分别接电源正输入端，所述第七、第八MOS管源极接地，所述第七MOS管、第八MOS管为NMOS管。
所述一种无外接电容的低压差线性稳压器中，误差放大器包括：第三电容、差分对组、反向增益级，
所述差分对组包括：第十一、第十二MOS管组成的第一共栅差分对，第十三、第十四MOS管组成的第二共栅差分对，第十五、第十六MOS管组成的第一共漏差分对，
所述非反向增益级：包括第九MOS管，第十七、第十九MOS管组成的第二共漏差分对，第十八、第二十MOS管组成的第三共漏差分对，
其中，所述第十二MOS管栅极、漏极分别与第十四MOS管漏极连接，所述第十一MOS管漏极、第十三MOS管漏极分别与所述第十五MOS管源极连接，所述第十三、第十四MOS管的栅极都接电源正输入端，所述第十三、第十四MOS管的源极都接地，所述第十八MOS管源极接电源正输入端，所述第九MOS管漏极、栅极分别与第十八MOS管栅极连接，所述输出MOS管栅极与第十八MOS管漏极连接，所述第二十MOS管源极接地，所述第十七MOS管源极接电源正输入端，第十七MOS管的栅极、第三电容一极分别与所述第一共漏差分对的漏极连接点相连，所述第十九MOS管的漏极、栅极分别与所述第二十MOS管栅极连接，所述第十九、第二十MOS管源极均接地，所述第九MOS管源极接电源正输入端，所述第九MOS管栅极以及漏极、所述第十八MOS管栅极分别与第八MOS管漏极连接，所述第三电容另一极、第十一MOS管源极分别与所述输出MOS管漏极连接，
所述第九、第十一、第十二、第十六、第十七、第十八MOS管为PMOS管，第十三、第十四、第十五、第十九、第二十MOS管为NMOS管。
所述一种无外接电容的低压差线性稳压器中，运算放大器包括：
第一、第三MOS管组成的第四共漏差分对，
第二、第四MOS管组成的第五共漏差分对，
第三、第五MOS管、第六MOS管、第二电容，
其中，所述第四、第五共漏差分对的一端分别接电源正输入端，第四、第五共漏差分对的另一端分别接所述第六MOS管漏极，第六MOS管栅极接电源正输入端，第六MOS管源极接地，所述第五MOS管源极接电源正输入端，所述第一MOS管栅极、所述第五MOS管漏极分别与第十二MOS管源极连接，所述第五MOS管栅极、第五共漏差分对的漏极连接点分别与所述第二电容一极连接，第二电容另一极接地，
所述第一、第二、第六MOS管为NMOS管，第三、第四、第五MOS管为PMOS管。
所述一种无外接电容的低压差线性稳压器中，第六、第七、第八、第十三、第十四、第十九、第二十MOS管的漏极与电源正输入端之间接有偏置电流源。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）具有高速的电压转换率和快速稳定的瞬态输出响应；
（2）可以在较低电压下工作，节省了芯片功耗，适用于低功耗环中。
附图说明
图1为现有的无外接电容的低压差线性稳压器电路框图。
图2为本发明无外接电容的低压差线性稳压器电路框图。
图3为本发明具体电路图。
图4（a）为现有无外接电容的低压差线性稳压器的输出电流波形图，图4（b）为现有无外接电容的低压差线性稳压器的输出电压波形图。
图5（a）为本发明无外接电容的低压差线性稳压器的输出电流波形图，图5（b）为本发明无外接电容的低压差线性稳压器的输出电压波形图。
图中标号说明：M1~M9为第一至第九MOS管，M10为输出MOS管，M11~M20为第十一至第二十MOS管，C1~C3为第一至第三电容，R1为第一电阻。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
本发明涉及的无外接电容的低压差线性稳压器如图2所示，包括：运算放大
器、误差放大器、输出MOS管，运算放大器第一输入端、误差放大器第一输入端分别接基准电压，误差放大器第二输入端接运算放大器输出端，输出MOS管栅极接误差放大器输出端，输出MOS管源极接电源。无外接电容的低压差线性稳压器还包括电压尖峰检测电路，电压尖峰检测电路输入端接输出MOS管漏极，输出端接运算放大器第二输入端。在实现无外接电容的低压差线性稳压器的电路板上留有电源正输入端口VIN、电源负输入端口GND，基准电压输入端口VREF，输出端口VOUT，基准电压VREF由带隙电压给出，范围一般可以是0.5V-1.3V左右。
电压尖峰检测电路，包括第一电容C1、第一电阻R1、第七MOS管M7、第八MOS管M8，第一电容C1一极接输出MOS管M10漏极，第一电容C1的另一极、第一电阻R1一端分别与第八MOS管M8的栅极连接，第一电阻R1另一端、第七MOS管M7漏极分别接电源正输入端口VIN，第七、第八MOS管M7、M8源极接电源负输入端口GND，第八MOS管M8漏极为电压尖峰检测电路的输出端。第七MOS管M7、第八MOS管M8为NMOS管。
误差放大器包括：第三电容C3、差分对组、反向增益级。差分对组包括：第十一、第十二MOS管M11、M12组成的第一共栅差分对，第十三、第十四MOS管M13、M14组成的第二共栅差分对，第十五、第十六MOS管M15、M16组成的第一共漏差分对。非反向增益级：包括第九MOS管M9，第十七、第十九MOS管M17、M19组成的第二共漏差分对，第十八、第二十MOS管M18、M20组成的第三共漏差分对。第十二MOS管M12栅极、漏极分别与第十四MOS管M14漏极连接，第十一MOS管M11漏极、第十三MOS管M13漏极分别与第十五MOS管M15源极连接，第十三、第十四MOS管M13、M14的栅极都接电源正输入端口VIN，第十三、第十四MOS管M13、M14的源极都接电源负输入端口GND，第十八MOS管M18源极接电源正输入端口VIN，第九MOS管M9漏极、栅极分别与第十八MOS管M18栅极连接，输出MOS管M10栅极与第十八MOS管M18漏极连接，第二十MOS管M20源极接电源负输入端口GND，第十七MOS管M17源极接电源正输入端口VIN，第十七MOS管M17的栅极、第三电容C3一极分别与第一共漏差分对的漏极连接点相连接，第十九MOS管M19的漏极、栅极分别与第二十MOS管M20栅极连接，第十九MOS管M19源极接地，第九MOS管M9源极接电源正输入端口VIN，第九MOS管M9栅极以及漏极、第十八MOS管M18栅极分别与第八MOS管M8漏极连接，第三电容C3另一极、第十一MOS管M11源极分别与输出MOS管M10漏极连接。第九、第十一、第十二、第十六、第十七MOS管、第十八MOS管M9、M11、M12、M16、M17、M18为PMOS管，第十三、第十四、第十五、第十九、第二十MOS管M13、M14、M15、M19、M20为NMOS管。
运算放大器包括：第一、第三MOS管M1、M3组成的第四共漏差分对，第二、第四MOS管M2、M4组成的第五共漏差分对，第五MOS管M5、第六MOS管M6、第二电容C2。第四、第五共漏差分对的一端分别接电源正输入端口VIN，第四、第五共漏差分对的另一端分别接第六MOS管M6漏极，第六MOS管M6栅极接电源正输入端口VIN，第六MOS管M6源极接电源负输入端口GND，第五MOS管M5源极接电源正输入端口VIN，第一MOS管M1栅极、第五MOS管M5漏极分别与第十二MOS管M12源极连接，第五MOS管M5栅极、第五共漏差分对的漏极连接点分别与第二电容C2一极连接，第二电容C2另一极接电源负输入端口GND。第三、第四、第五MOS管为PMOS管，第一、第二、第六MOS管为NMOS管。
在第六、第七、第八、第十三、第十四、第十九、第二十MOS管M6、M7、M8、M13、M14、M19、M20的漏极与电源正输入端口VIN之间接有偏置电流源IBIAS。
图3为常见的无外接电容的低压差线性稳压器的波形仿真图，如图3所示，电流参数的变化范围1mA~50mA，从图中可以看出上升沿和下降沿都是1uS，输出波形的瞬态波动不超过2mV，恢复时间小于1uS。
图4为本发明实施例中无外接电容的低压差线性稳压器的波形仿真图，如图4所示，电流参数的变化范围1mA~50mA，从图中可以看出上升沿和下降沿都是0.11uS，输出波形的瞬态波动不超过20mV ，恢复时间小于0.5uS。
从以上仿真结果可以看出，本发明所提供的一种无外接电容的低压差线性稳压器的输出电压的上冲尖峰电压和下冲尖峰电压具有极小的上升沿时间、极小的下降沿时间和极小的恢复时间，输出电压具有高速的电压转换率和快速稳定的瞬态输出响应。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施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于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
输出MOS管的VOUT瞬态变化，电压尖峰检测电路在VOUT突变时间，将检测到的突变信号经过误差放大器耦合到运算放大器的输入端，以运算放大器的比较结果作为输出MOS管栅极控制信号达到稳定输出电压的目的。
如图4（a）、图4（b）所示的无外接电容的低压差线性稳压器的波形仿真图，输出电流参数的变化范围1mA~50mA，从图中可以看出上升沿和下降沿都是1uS，输出电压波形的瞬态波动不超过2mV，恢复时间小于1uS。
本发明实施例中无外接电容的低压差线性稳压器的波形仿真图如图5（a）、图5（b）所示，输出电流参数的变化范围1mA~50mA，从图中可以看出上升沿和下降沿都是0.11uS，输出电压波形的瞬态波动不超过20mV ，恢复时间小于0.5uS。
比较图4.图5的波形图，可知，本发明所述的本发明无外接电容的低压差线性稳压器：
（3）具有高速的电压转换率和快速稳定的瞬态输出响应；
（4）可以在较低电压下工作，节省了芯片功耗，适用于低功耗环境中。
Claims (5)
1.一种无外接电容的低压差线性稳压器，包括：运算放大器、误差放大器、输出MOS管，所述运算放大器第一输入端、误差放大器第一输入端分别接基准电压，所述误差放大器第二输入端接运算放大器输出端，所述输出MOS管栅极接误差放大器输出端，输出MOS管源极接电源正输入端，其特征在于：
所述无外接电容的低压差线性稳压器还包括电压尖峰检测电路，所述电压尖峰检测电路输入端接所述输出MOS管漏极，输出端接所述运算放大器第二输入端。
2.根据权利要求1所述的一种无外接电容的低压差线性稳压器，其特征在于：所述电压尖峰检测电路包括第一电容、第一电阻、第七MOS管、第八MOS管，所述第一电容一极接输出MOS管漏极，第一电容的另一极、第一电阻一端分别与第八MOS管的栅极连接，所述第一电阻另一端、第七MOS管漏极以及栅极分别接电源正输入端，所述第七、第八MOS管源极接地，所述第七MOS管、第八MOS管为NMOS管。
3.根据权利要求2所述的一种无外接电容的低压差线性稳压器，其特征在于：所述误差放大器包括：第三电容、差分对组、反向增益级；
所述差分对组包括：第十一、第十二MOS管组成的第一共栅差分对，第十三、第十四MOS管组成的第二共栅差分对，第十五、第十六MOS管组成的第一共漏差分对；
所述非反向增益级：包括第九MOS管，第十七、第十九MOS管组成的第二共漏差分对，第十八、第二十MOS管组成的第三共漏差分对；
其中，所述第十二MOS管栅极、漏极分别与第十四MOS管漏极连接，所述第十一MOS管漏极、第十三MOS管漏极分别与所述第十五MOS管源极连接，所述第十三、第十四MOS管的栅极都接电源正输入端，所述第十三、第十四MOS管的源极都接地，所述第十八MOS管源极接电源正输入端，所述第九MOS管漏极、栅极分别与第十八MOS管栅极连接，所述输出MOS管栅极与第十八MOS管漏极连接，所述第二十MOS管源极接地，所述第十七MOS管源极接电源正输入端，第十七MOS管的栅极、第三电容一极分别与所述第一共漏差分对的漏极连接点相连，所述第十九MOS管的漏极、栅极分别与所述第二十MOS管栅极连接，所述第十九、第二十MOS管源极均接地，所述第九MOS管源极接电源正输入端，所述第九MOS管栅极以及漏极、所述第十八MOS管栅极分别与第八MOS管漏极连接，所述第三电容另一极、第十一MOS管源极分别与所述输出MOS管漏极连接；
所述第九、第十一、第十二、第十六、第十七、第十八MOS管为PMOS管，第十三、第十四、第十五、第十九、第二十MOS管为NMOS管。
4.根据权利要求3所述的一种无外接电容的低压差线性稳压器，其特征在于：所述运算放大器包括：
第三MOS管组成的第四共漏差分对；
第四MOS管组成的第五共漏差分对；
第五MOS管、第六MOS管、第二电容；
其中，所述第四、第五共漏差分对的一端分别接电源正输入端，第四、第五共漏差分对的另一端分别接所述第六MOS管漏极，第六MOS管栅极接电源正输入端，第六MOS管源极接地，所述第五MOS管源极接电源正输入端，所述第一MOS管栅极、所述第五MOS管漏极分别与第十二MOS管源极连接，所述第五MOS管栅极、第五共漏差分对的漏极连接点分别与所述第二电容一极连接，第二电容另一极接地；
所述第一、第二、第六MOS管为NMOS管，第三、第四、第五MOS管为PMOS管。
5.根据权利要求4所述的一种无外接电容的低压差线性稳压器，其特征在于：所述第六、第七、第八、第十三、第十四、第十九、第二十MOS管的漏极与电源正输入端之间接有偏置电流源。
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