CN104063003B - 一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容ldo - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，包括：误差放大器、基准电压模块、增益提升级、功率调整管、密勒补偿电路、摆率增强电路；摆率增强电路的两个输入端分别接基准电压模块的输出端和LDO的输出端，它的输出端接功率调整管的栅极。本发明采用全反馈结构代替了电阻分压网络，这不仅增加了整个环路的带宽，也提升了输出电压的精度和稳定性。本发明的低压差线性稳压器（LDO）因为集成了摆率增强电路，可以在LDO负载跳变的瞬间对功率调整管的栅极电容快速充放电，从而提高了LDO电路的瞬态响应。

Description

一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO

技术领域

本发明主要涉及电源管理技术技术领域，尤其涉及一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO。

背景技术

随着手机、数码相机、PAD等便携式设备的广泛应用,高性能的电源管理系统己成为当前集成电路产业发展中越来越重要的设计挑战。在电源管理领域中,直流-直流转换模块(DC-DC)和低压差线性稳压器(LDO)是主导电源市场的两大产品。在各种稳压器结构中,低压差线性稳压器凭借着结构简单、低功耗、低输出噪声、占用芯片面积少以及低廉的价格等优点,在便携式电子产品中得到广泛的应用。相比于DC-DC变换器，LDO具有低纹波,低输出噪声等优点,使得在一些对输出电压精度和稳定性要求比较严格的场合,LDO具有不可比拟的优势,市场发展前景非常广阔。

传统的LDO电路如图1所示，为了使输出电压稳定，通常需要在输出端外接一个大负载电容,利用这个大电容和其等效串联电阻(ESR)产生一个左半平面零点对系统进行补偿,保证系统稳定。而且这个大电容可以在瞬态响应时充当一个充电电源，能有效减小负载跳变时输出电压产生的尖峰，达到改善瞬态响应的目的。但是大的输出负载电容,不仅占用大量的芯片面积,也增加了设计成本,同时还加大了应用的复杂度。因此，无片外电容LDO逐渐成为了研究的新热点。

环路带宽和摆率是影响LDO瞬态响应快慢的关键因素。低功耗LDO的低静态电流限制了带宽和摆率，因此我们无法在保证低功耗的前提下使得LDO具有很好的瞬态响应。而在无片外电容型的LDO中，负载跳变只能依靠功率调整管的快速响应，由于调整管的栅极寄生电容很大，瞬态响应与功率调整管的栅极电容大小成反比，所以无片外电容LDO的瞬态响应会变得很差。因此，需要设计一款摆率增强电路来改善低功耗无片外电容LDO的瞬态响应。

发明内容

本发明所要解决的是现有的低功耗无片外电容LDO的瞬态响应较差的问题，提出了一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO；在LDO负载变化时，该摆率增强电路通过双充电和放电支路为LDO的调整管栅极电容提供大的充电电流或放电电流，进而显著地提高低功耗无片外电容LDO的瞬态响应特性。

本发明采用的技术方案是：

一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，其特征在于：包括基准电压模块、误差放大器、增益提升级、功率调整管和密勒补偿电路；其中，误差放大器的同相输入端接LDO的输出端，反相输入端与基准电压模块的输出端相接，增益提升级的输入端与误差放大器的输出端相连接，增益提升级的输出端接功率调整管的栅极，功率调整管的漏极作为LDO的输出端，密勒补偿电容的一端接误差放大器的输出端，另一端与LDO的输出端相连；还包括有摆率增强电路，摆率增强电路有两个输入端，分别与基准电压模块和LDO的输出端相连，摆率增强电路的输出端与功率调整管的栅极相连。

所述的集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，其特征在于：所述的摆率增强电路包括PMOS管M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₁₁、M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₁₉、M₂₀；NMOS管M₁、M₂、M₉、M₁₀、M₁₅、M₁₆、M₁₇、M₁₈，偏置电流源I₀；

其中，NMOS管M₁、M₂的栅极作为所述的摆率增强电路的两个输入端，接LDO的输出和基准电压模块的输出；M₁的漏极与M₃的漏极和M₄的栅极相连，M₄的栅极接M₆的栅极和漏极，M₆的栅极与M₅的栅极相连；M₂的漏极与M₄的漏极和M₃的栅极相连，M₃的栅极接M₈的栅极和漏极，M₈的栅极接M₇的栅极，M₇的漏极接M₁₀的栅极和漏极，M₁₀的栅极与M₉的栅极相连；M₃、M₄、M₅、M₆、M₇和M₈的源极接外部的输入电源，M₉和M₁₀的源极接地；

M₁的源极与M₁₁和M₁₃的源极相连，M₁₃的栅极接M₁₄的栅极和漏极，M₁₃的漏极接M₁₈的栅极和漏极，M₁₈的栅极接M₁₇的栅极，M₁₇的漏极接M₁₉的栅极和漏极，M₁₉的栅极接M₂₀的栅极；M₂的源极与M₁₂和M₁₄的源极相连，M₁₂的栅极接M₁₁的栅极和漏极，M₁₂的漏极极接M₁₅的栅极和漏极，M₁₅的栅极接M₁₆的栅极；M₁₁和M₁₄的漏极接偏置电流源的一端，偏置电流源的另一端接地；M₁₅、M₁₆、M₁₇和M₁₈的源级接地，M₁₉、M₂₀的源极接外部输入电源；

M₅、M₉、M₁₆和M₂₀的漏极并作为所述摆率增强电路的输出端，与功率调整管的栅极相接。

本发明的原理是：

摆率增强电路在稳定状态下绝大部分MOS管工作在亚阈值区，且在高频处产生零极点，不影响整个LDO电路的稳定性，而且消耗的静态电流很小；在负载跳变的瞬间，摆率增强电路提供双支路对功率调整管的栅极电容进行充放电，显著地提高了电路的瞬态响应。

本发明的有益效果是：

本发明由于采用了摆率增强技术，使得所提供的无片外电容LDO，在输出电压出现过冲和下冲时，摆率增强电路能够对功率调整管的栅极电容进行快速的充放电，大大减小了输出电压的尖峰，从而显著提高了LDO电路的瞬态响应；同时本发明是无片外电容LDO，整个电路中只有一个1pF的补偿电容用来保证系统的稳定性，节省了芯片面积，减小了制作成本。

附图说明

图1为传统的LDO结构示意图。

图2为本发明的无片外电容LDO结构示意图。

图3为本发明的无片外电容LDO的小信号电路图。

图4为本发明提出的摆率增强电路结构示意图。

图5为本发明的无片外电容LDO在不同负载条件下的瞬态仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，包括基准电压模块1、误差放大器2、增益提升级3、功率调整管M_P、补偿电容C_m和摆率增强电路4，本电路采用全反馈的方式，这不仅增加了整个环路的带宽，也提高了输出电压的精度。其中，误差放大器2的同相输入端接LDO的输出端V_out，反相输入端接基准电压模块1的输出端V_ref；增益缓冲级3的输入端接误差放大器2的输出端，其输出端接功率调整管M_P的栅极，M_P的漏极作为LDO的输出端V_out；补偿电容C_m一端接LDO的输出端，另一端接误差放大器2的输出端；摆率增强电路4的两个输入端，分别与基准电压模块1和LDO的输出端相连，摆率增强电路4的输出端与功率调整管Mp的栅极相连。

稳定性分析：由于本发明提出的是无片外电容LDO，因此需要采用片内补偿技术。所述电路的等效小信号电路图如图3所示，整个LDO电路的增益A_V：

A_v＝A_v1A_v2A_v3＝g_m1g_m2g_m3R₁R₂R_out

这里，A_v1、A_v2、A_v3分别是误差放大器2、增益提升级3以及LDO输出级的增益，R₁、R₂、R_out分别是误差放大器2、增益提升级3以及LDO输出级的总电阻，C₁、C₂、C_out分别是误差放大器2、增益提升级3以及LDO输出级的总电容，g_m1、g_m2、g_mP分别是误差放大器2、增益提升级3以及LDO输出级的跨导。

设P₁为误差放大器输出端的极点，P₂是增益提升级输出端产生的极点，P₃是LDO输出端的极点，C_m是密勒补偿电容。由于采用了密勒补偿技术，使得误差放大器输出端的总电容变大，因此极点P₁往低频段移动成为主极点。LDO电路中的增益缓冲级采用的是一个低输出阻抗的源跟随器，所以极点P₂位于高频处，不影响整个环路的稳定性。P₃是次极点，可以通过米勒补偿使其在单位增益带宽之外。这样在整个负载范围内，单位增益带宽内只有P₁一个极点。为了使系统具有良好的相位裕度，必须使极点满足关系式：P₁＜GBW≤(1/2)P₂≤(1/4)P₃。

$P_1=\frac{1}{R_1[C_1+(1+g_{m2}{g}_{m3}{R}_2{R}_{\mathrm{out}})C_m]}$

$P_2=\frac{1}{R_2{C}_2}$

$P_3=\frac{1}{R_{\mathrm{out}}{C}_{\mathrm{out}}}$

$\mathrm{GBW}=A_v\×P_1\≈\frac{g_{m1}}{C_m}$

本发明提出的摆率增强电路(Slew-rate-enhanced Circuit，SRE)结构示意图如图4所示，所述的摆率增强电路包括PMOS管M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₁₁、M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₁₉、M₂₀，NMOS管M₁、M₂、M₉、M₁₀、M₁₅、M₁₆、M₁₇、M₁₈，偏置电流源I₀；其中，NMOS管M₁、M₂的栅极作为所述的摆率增强电路的两个输入端，接LDO的输出和基准电压模块的输出；M₁的漏极与M₃的漏极和M₄的栅极相连，M₄的栅极接M₆的栅极和漏极，M₆的栅极接M₅的栅极；M₂的漏极与M₄的漏极和M₃的栅极相连，M₃的栅极接M₈的栅极和漏极，M₈的栅极接M₇的栅极，M₇的漏极接M₁₀的栅极和漏极，M₁₀的栅极接M₉的栅极；M₃、M₄、M₅、M₆、M₇和M₈的源极接外部的输入电源，M₉和M₁₀的源极接地；M₁的源极与M₁₁和M₁₃的源极相连，M₁₃的栅极接M₁₄的栅极和漏极，M₁₃的漏极接M₁₈的栅极和漏极，M₁₈的栅极接M₁₇的栅极，M₁₇的漏极接M₁₉的栅极和漏极，M₁₉的栅极接M₂₀的栅极；M₂的源极与M₁₂和M₁₄的源极相连，M₁₂的栅极接M₁₁的栅极和漏极，M₁₂的漏极极接M₁₅的栅极和漏极，M₁₅的栅极接M₁₆的栅极；M₁₁和M₁₄的漏极接偏置电流源Io的一端，偏置电流源的另一端接地；M₁₅、M₁₆、M₁₇和M₁₈的源级接地，M₁₉、M₂₀的源极接外部输入电源；

M₅、M₉、M₁₆和M₂₀的漏极并作为所述摆率增强电路的输出端，与功率调整管Mp的栅极相接。

本发明所述摆率增强电路的工作原理：

V_ref为基准电压模块提供的基准电压，V_out为LDO的输出电压，V_GP为功率调整管的栅极电压。当V_out上升时，因为流过M₁的电流受到恒定电流源的限制，所以M₁的源极电压增大，由于M₁₁流过的电流被恒流源限制，固M₁₁的栅极电压增加，随着M₁₁的栅极电压增加，M₁₂的栅源电压的绝对值变小，导致M₁₂关断。另一边，M₁的源极电压上升导致M₁₃的栅源电压绝对值变大，流过M₁₃的电流增大，通过M₁₇、M₁₈和M₁₉、M₂₀两个电流镜把流过M₁₃的电流镜像到功率调整管的栅极，对其栅电容充电，从而减小输出电压的过冲；另外，M₁₂的关断导致M₁“分得”恒定电流源的电流变多，M₁的漏极电压减小，M₂的漏极电压增加，M₃、M₇、M₈关断，通过电流镜M₅、M₆把流过M₁的电流镜像到功率管的栅极，对其栅电容充电，也可以达到减小过冲的目的。

当V_out下降时，流过M₁的电流受到电流源的限制，M₁的源极电压减小，M₁₃的栅源电压减小，导致其关断。另一边，由于流过M₁₁的电流被恒流源“固定”，固M₁₁的栅极电压减小，M₁₂的栅源电压绝对值变大，增大了M₁₂的漏电流，通过M₁₅、M₁₆组成的电流镜镜像流过M₁₂的电流，对功率管的栅电容放电，从而减小下冲。另外因为M₁₃的关断，导致M₁“分得”的恒流源的电流减小，M₂“分得”的恒流源的电流增大，所以M₁漏极电压增大，同时M₂的漏极电压减小，所以M₄、M₅、M₆关断，通过电流镜M₇、M₈、M₉、M₁₀把流过M₂的电流镜像到功率管的栅极，对其栅电容放电，也可以达到抑制下冲的目的。

本发明中的摆率增强电路也可适用于其他的LDO电路中，通过检测输出电压的变化，摆率增强电路提供大的充电或放电电流，实现对功率调整管栅极驱动的瞬态调节，大大减小了输出电压的尖峰，缩短了瞬态响应的时间。利用本设计可以得到一个高性能的LDO。负载电流在100mA到1mA跳变，跳变时间为1us时，其输出波形如图5所示，上冲67mv，下冲52mv，响应时间在2us内。

本领域的普通技术人员应意识到，这里所述的实施例只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变形和组合，这些变形和组合仍在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种集成摆率增强电路的低功耗无片外电容LDO，其特征在于：包括基准电压模块、误差放大器、增益提升级、功率调整管和密勒补偿电容；其中，误差放大器的同相输入端接LDO的输出端，反相输入端与基准电压模块的输出端相接，增益提升级的输入端与误差放大器的输出端相连接，增益提升级的输出端接功率调整管的栅极，功率调整管的漏极作为LDO的输出端，密勒补偿电容的一端接误差放大器的输出端，另一端与LDO的输出端相连；还包括有摆率增强电路，摆率增强电路有两个输入端，分别与基准电压模块和LDO的输出端相连，摆率增强电路的输出端与功率调整管的栅极相连；

所述的摆率增强电路包括 PMOS管M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₁₁、M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₁₉、M₂₀ ；NMOS管M₁、M₂、M₉、M₁₀、M₁₅、M₁₆、M₁₇、M₁₈，偏置电流源I₀；

其中，NMOS管M₁、M₂的栅极作为所述的摆率增强电路的两个输入端，接LDO的输出和基准电压模块的输出；M₁的漏极与M₃的漏极和M₄的栅极相连，M₄的栅极接M₆的栅极和漏极，M₆的栅极与M₅的栅极相连；M₂的漏极与M₄的漏极和M₃的栅极相连，M₃的栅极接M₈的栅极和漏极，M₈的栅极接M₇的栅极，M₇的漏极接M₁₀的栅极和漏极，M₁₀的栅极与M₉的栅极相连；M₃、M₄、M₅、M₆、M₇和M₈的源极接外部的输入电源，M₉和M₁₀的源极接地；

 M1的源极与M₁₁和M₁₃的源极相连，M₁₃的栅极接M₁₄的栅极和漏极，M₁₃的漏极接M₁₈的栅极和漏极，M₁₈的栅极接M₁₇的栅极，M₁₇的漏极接M₁₉的栅极和漏极，M₁₉的栅极接M₂₀的栅极；M₂的源极与M₁₂和M₁₄的源极相连，M₁₂的栅极接M₁₁的栅极和漏极，M12的漏极极接M₁₅的栅极和漏极，M₁₅的栅极接M₁₆的栅极；M₁₁和M₁₄的漏极接偏置电流源的一端，偏置电流源的另一端接地；M₁₅、M₁₆、M₁₇和M₁₈的源级接地，M₁₉、M₂₀的源极接外部输入电源；

M₅、M₉、M₁₆和M₂₀的漏极并作为所述摆率增强电路的输出端，与功率调整管的栅极相接。