CN104238613A - 一种数字电路低压差线性稳压器 - Google Patents

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本发明公开了一种数字电路低压差线性稳压器，包括基准电压源、误差放大器、调整管Mp、电阻反馈电路、极点动态跟随电路和限流电路，电阻反馈电路包括相串联的第一电阻和第二电阻；误差放大器的反相输入端连接基准电压源的输出端，误差放大器的同相输入端连接第一电阻和第二电阻串联接点，误差放大器的输出端连接极点动态跟随电路的输入端，极点动态跟随电路的输出端同时连接限流电路的输出端和调整管Mp的栅极，限流电路的输入端连接调整管Mp的源极，调整管Mp的漏极作为整个稳压器的输出端，电阻反馈电路的一端与调整管Mp的漏极相连、另一端接地。本发明通过限流电路有效控制了低压差线性稳压器的输出负载电流的上限，保护电路。

Description

一种数字电路低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及一种数字电路低压差线性稳压器。
背景技术
LDO(Low Drop-out Regulator)低压差线性稳压器，是电源管理应用领域中的一类重要电路，具有体积小、结构简单、成本低、外围元器件少、输出噪声小、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、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，该误差放大器的反相输入端与基准电压源连接，该误差放大器的同相输入端与电阻反馈电路连接，误差放大器的输出端与调整管Mp的栅极连接，调整管Mp的漏极为整个电路的输出端，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，该第一电阻R1的一端与该第二电阻R2的一端连接，同时，该第一电阻R1的另一端与该误差放大器的反相输入端连接，该第一电阻R1的另一端与该数字电路低压差线性稳压器的输出端连接，该第二电阻R2的另一端与地接，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，其原理是通过帯隙基准电压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过冲、欠冲电压尖峰，同时电压恢复稳定时间也将比较长。传统型LDO的输出噪声主要来源于基准电压源、电阻反馈电路以及误差放大器。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有静态功耗低、稳定性好的数字电路低压差线性稳压器，以提高LDO对电源电压的抑制能力。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种数字电路低压差线性稳压器，包括电源电压输入端VDD、基准电压源、误差放大器、调整管Mp、电阻反馈电路、极点动态跟随电路、限流电路和补偿电容CL，电源电压输入端VDD同时为基准电压源、误差放大器、极点动态跟随电路和限流电路供电，电阻反馈电路包括相串联的第一电阻R1和第二电阻R2；误差放大器的反相输入端连接基准电压源的输出端，误差放大器的同相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2串联接点，误差放大器的输出端连接极点动态跟随电路的输入端，极点动态跟随电路的输出端同时连接限流电路的输出端和调整管Mp的栅极，限流电路的输入端连接调整管Mp的源极，调整管Mp的漏极作为整个稳压器的输出端，电阻反馈电路的一端与调整管Mp的漏极相连、另一端接地，补偿电容CL与电阻反馈电路并联。
具体的，所述限流电路包括第九PMOS管Mp9、第零电阻R0和差分放大器，第九PMOS管Mp9的源极接电源电压输入端VDD，第九PMOS管Mp9的漏极作为限流电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和极点动态跟随电路的输出端，第九PMOS管Mp9的栅极接差分放大器的输出端，差分放大器的反相输入端接参考电压Vbias，差分放大器的同相输入端作为限流电路的输入端接调整管Mp的源极，第零电阻R0的一端接差分放大器的同相输入端、另一端接电源电压输入端VDD。
具体的，所述极点动态跟随电路包括第七NMOS管Mn7、第十PMOS管Mp10、第八NMOS管Mn8、第九NMOS管Mn9和第一电流源I1，第一电流源I1的输入端接电源电压输入端VDD，第一电流源I1的输出端接第九NMOS管Mn9的漏极；第七NMOS管Mn7的栅极作为极点动态跟随电路的输入端接误差放大器的输出端，第七NMOS管Mn7的漏极接电源电压输入端VDD，第七NMOS管Mn7的源极接第八NMOS管Mn8的源极，第八NMOS管Mn8的栅极和第九NMOS管Mn9的栅极相连，第九NMOS管Mn9的漏极与自身的栅极相连，第八NMOS管Mn8的源极和第九NMOS管Mn9的源极均接地，第九NMOS管Mn9的漏极接第十PMOS管Mp10的漏极，第十PMOS管Mp10的栅极作为极点动态跟随电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和第七NMOS管Mn7的源极，第十PMOS管Mp10的源极接限流电路的输入端。
具体的，所述调整管Mp为PMOS管。
本发明提供的数字电路低压差线性稳压器与传统型LDO相比，在电路结构上增加了极点动态跟随电路以及限流电路。传统型LDO中调整管Mp栅端的极点在整个频率范围内不会改变，限制了LDO的环路带宽，导致LDO工作在较高的频率时失效。而本发明中增加了极点动态跟随电路，使得调整管Mp栅端的极点随着输出的负载电流的变化而相应变化，在LDO重载时，可以相应拓宽LDO的环路带宽，保证LDO在较高频率时正常工作。此外，传统型LDO中调整管Mp的源极与电源电压的输入端连接，电源电压中的高频噪声会直接对调整管Mp的输出端造成影响，直接减弱了LDO对电源电压的抑制能力。而在本发明中，增加的限流电路的输出端与调整管Mp的源极连接，限流电路的输入端与调整管Mp的栅极相连，抵消调整管栅源极的电源电压噪声，有效的提高了该电路对电流的限制抑制能力。
有益效果：本发明提供的数字电路低压差线性稳压器，通过限流电路有效控制了低压差线性稳压器的输出负载电流的上限，保护电路。
附图说明
图1为传统型LDO的系统框图；
图2为的数字电路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数字电路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为2V输出负载15mA的增益相位曲线图；
图5为本发明实施例中电源电压为2V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为2V输出负载从10Ω变化到100kΩ，直流电流的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2、图3所示为一种数字电路低压差线性稳压器，包括电源电压输入端VDD、基准电压源、误差放大器、调整管Mp、电阻反馈电路、极点动态跟随电路、限流电路和补偿电容CL，电源电压输入端VDD同时为基准电压源、误差放大器、极点动态跟随电路和限流电路供电，电阻反馈电路包括相串联的第一电阻R1和第二电阻R2；误差放大器的反相输入端连接基准电压源的输出端，误差放大器的同相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2串联接点，误差放大器的输出端连接极点动态跟随电路的输入端，极点动态跟随电路的输出端同时连接限流电路的输出端和调整管Mp的栅极，限流电路的输入端连接调整管Mp的源极，调整管Mp的漏极作为整个稳压器的输出端，电阻反馈电路的一端与调整管Mp的漏极相连、另一端接地，补偿电容CL与负载电阻RL与电阻反馈电路并联。
如图3所示，所述限流电路包括第九PMOS管Mp9、第零电阻R0和差分放大器，第九PMOS管Mp9的源极接电源电压输入端VDD，第九PMOS管Mp9的漏极作为限流电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和极点动态跟随电路的输出端，第九PMOS管Mp9的栅极接差分放大器的输出端，差分放大器的反相输入端接参考电压Vbias，差分放大器的同相输入端作为限流电路的输入端接调整管Mp的源极，第零电阻R0的一端接差分放大器的同相输入端、另一端接电源电压输入端VDD。
如图3所示，所述极点动态跟随电路包括第七NMOS管Mn7、第十PMOS管Mp10、第八NMOS管Mn8、第九NMOS管Mn9和第一电流源I1，第一电流源I1的输入端接电源电压输入端VDD，第一电流源I1的输出端接第九NMOS管Mn9的漏极；第七NMOS管Mn7的栅极作为极点动态跟随电路的输入端接误差放大器的输出端，第七NMOS管Mn7的漏极接电源电压输入端VDD，第七NMOS管Mn7的源极接第八NMOS管Mn8的源极，第八NMOS管Mn8的栅极和第九NMOS管Mn9的栅极相连，第九NMOS管Mn9的漏极与自身的栅极相连，第八NMOS管Mn8的源极和第九NMOS管Mn9的源极均接地，第九NMOS管Mn9的漏极接第十PMOS管Mp10的漏极，第十PMOS管Mp10的栅极作为极点动态跟随电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和第七NMOS管Mn7的源极，第十PMOS管Mp10的源极接限流电路的输入端。
极点动态跟随电路和限流电路为本案的技术重点，下面就这两个电路的原理加以具体说明。
极点动态跟随电路的作用是：在输出电流比较大的时候，拓宽环路带宽，提高电路在较高频率上的稳定性。当负载由轻载跳到重载时，第十PMOS管Mp10以一定比例镜像复制调整管Mp输出端的负载电流，增加灌入第九NMOS管Mn9的输入电流，因此，从第七NMOS管Mn7漏极往里看的输出电阻的阻值减小了，而本发明LDO中调整管Mp的栅极处的极点P3表达式为：P3＝1/(Rpar×Cpar)，Cpar为调整管Mp的栅极处的寄生电容，Rpar为调整管Mp的栅极到地的等效输入电阻，即从第七NMOS管Mn7漏极往里看的输出电阻，因此极点P3随着Rpar的减小而增加，极点向高频移动，跟随输出端极点相应变化，增加环路带宽，提高了LDO的稳定性。
限流电路的作用是：为了适当的设计和保护的电路，使得在正常工作条件下和单一故障条件下，能从该电路流出的电流是非危险的电流，防止芯片电流过大而烧毁芯片。限流电路模块中，当工作在输出大电流时，当调整管Mp源极的电位升高时，由于差分放大器反向输入端电位保持不变，差分放大器的输出端电位上升，则第九NMOS管Mn9的栅极电位上升，第九NMOS管Mn9的漏极的电位下降，即调整管Mp栅极的电位下降，则调整管Mp源极的电位下降，形成一个负反馈支路。而在其他工作状态时，该限流电路模块不工作。
本案中LDO中三个极点分别如下：
P1＝1/(Rout×Cout)
P2＝1/(RA×CA)
P3＝1/(Rpar×Cpar)
其中，P1为稳压器输出端点对应的Rout和Cout，P2为误差放大器输出端点对应的RA和CA，P3为调整管Mp栅极极点对应的Rpar和Cpar，Rpar为极点动态跟随电路的输出电阻，Cpar为调整管Mp栅极的等效寄生电容，CA为误差放大器的负载电容，RA为误差放大器的输出电阻，Rout为LDO的输出等效电阻，Cout为补偿电容CL。
稳定性分析：
LDO输出端极点P1为主极点，片外补偿电容值为100nF。
调整管Mp栅极极点P3为次级点，为保证系统稳定，增加了极点动态跟随电路。
尽量减小第七NMOS管Mn7的尺寸，从而使误差放大器的输出端点P3工作在高频。
如图4所示，为电源电压2V输出负载15mA的增益相位曲线图。A为相位曲线，B为增益曲线。在负载10mA时，相位裕度为194.2°，系统稳定。
如图5所示，为电源电压2V输出负载0A的增益相位曲线图。C为相位曲线，D为增益曲线。在负载0A时，相位裕度为89.4°，系统稳定。
如图6所示，为电源电压为2V输出负载从10Ω变化到100kΩ，直流电流的变化曲线图。可以看到本案的限流电流为50mA。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种数字电路低压差线性稳压器，其特征在于：包括电源电压输入端VDD、基准电压源、误差放大器、调整管Mp、电阻反馈电路、极点动态跟随电路、限流电路和补偿电容CL，电源电压输入端VDD同时为基准电压源、误差放大器、极点动态跟随电路和限流电路供电，电阻反馈电路包括相串联的第一电阻R1和第二电阻R2；误差放大器的反相输入端连接基准电压源的输出端，误差放大器的同相输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2串联接点，误差放大器的输出端连接极点动态跟随电路的输入端，极点动态跟随电路的输出端同时连接限流电路的输出端和调整管Mp的栅极，限流电路的输入端连接调整管Mp的源极，调整管Mp的漏极作为整个稳压器的输出端，电阻反馈电路的一端与调整管Mp的漏极相连、另一端接地，补偿电容CL与电阻反馈电路并联。
2.根据权利要求1所述的数字电路低压差线性稳压器，其特征在于：所述限流电路包括第九PMOS管Mp9、第零电阻R0和差分放大器，第九PMOS管Mp9的源极接电源电压输入端VDD，第九PMOS管Mp9的漏极作为限流电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和极点动态跟随电路的输出端，第九PMOS管Mp9的栅极接差分放大器的输出端，差分放大器的反相输入端接参考电压Vbias，差分放大器的同相输入端作为限流电路的输入端接调整管Mp的源极，第零电阻R0的一端接差分放大器的同相输入端、另一端接电源电压输入端VDD。
3.根据权利要求1所述的数字电路低压差线性稳压器，其特征在于：所述极点动态跟随电路包括第七NMOS管Mn7、第十PMOS管Mp10、第八NMOS管Mn8、第九NMOS管Mn9和第一电流源I1，第一电流源I1的输入端接电源电压输入端VDD，第一电流源I1的输出端接第九NMOS管Mn9的漏极；第七NMOS管Mn7的栅极作为极点动态跟随电路的输入端接误差放大器的输出端，第七NMOS管Mn7的漏极接电源电压输入端VDD，第七NMOS管Mn7的源极接第八NMOS管Mn8的源极，第八NMOS管Mn8的栅极和第九NMOS管Mn9的栅极相连，第九NMOS管Mn9的漏极与自身的栅极相连，第八NMOS管Mn8的源极和第九NMOS管Mn9的源极均接地，第九NMOS管Mn9的漏极接第十PMOS管Mp10的漏极，第十PMOS管Mp10的栅极作为极点动态跟随电路的输出端同时接调整管Mp的栅极和第七NMOS管Mn7的源极，第十PMOS管Mp10的源极接限流电路的输入端。
4.根据权利要求1所述的数字电路低压差线性稳压器，其特征在于：所述调整管Mp为PMOS管。
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