CN104699163B - 一种低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括误差放大器和PMOS功率管；所述误差放大器的一个输入端接基准电压源，输出端接所述PMOS功率管的栅极；所述PMOS功率管的源级作为该低压差线性稳压器的输入端，漏极作为该低压差线性稳压器的输出端，且所述输出端连接电阻分压器采样网络；所述误差放大器的另一个输入端通过频分反馈放大电路连接所述电阻分压器采样网络，所述电阻分压器采样网络和所述频分反馈放大电路构成该低压差线性稳压器的反馈支路，所述频分反馈放大电路对所述反馈支路上的交流噪声信号和直流信号分别处理使其具有不同的放大增益。本发明在稳定直流电压的同时获得非常低的电源噪声，从而应用于对电源噪声有严格要求的电路。

Description

一种低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及低压差线性稳压领域，特别涉及一种低压差线性稳压器。

背景技术

低压差线性稳压器LDO(LowDropoutLinearRegulator)通过检测输出电压的变化经反馈控制从而保持输出电压不变，达到稳定输出直流电压的目的。由于LDO输出噪声低、纹波小、低电磁干扰，在射频和通信领域应用非常广泛。

现有的LDO即低压差线性稳压器基本原理图如图1所示，主要包括基准电压源VRef、误差放大器EA（ErrorAmplifier）、PMOS调整管（PassElement）和电阻分压器采样网络（R1、R2串联构成）。其中误差放大器的一个输入端接基准电压源，一个输入端接电阻分压器采样网络，从该电阻分压器采样网络得到从输出端检测到的一个与输出电压成比例的电压值，误差放大器的输出端接PMOS调整管。由图1可知，LDO稳定输出的电压为：（1+R1/R2）V_REF。而当输入电压和负载变化时，LDO通过反馈保持输出电压不变。以PMOS调整管LDO为例，当负载变化导致输出电压发生变化时，如当负载变化导致输出电压突然降低，误差放大器的输入压差降低，使PMOS调整管的栅源电压V_GS降低，从而流过PMOS调整管和负载RL的电流变大，从而使输出电压升高，稳定在（1+R1/R2）V_REF，达到稳压的效果。

图2所示为图1所示LDO的噪声模型。由运放U1的“虚短”原理，在其正向输入端和反向输入端的噪声电压应该相等。

(1)

因此：

(2)

式（1）、（2）中，Vn_out是稳压源的输出噪声。Vn_fet是MOS管和输入电压噪声的等效噪声。Vn_ref是参考源的噪声。Vn_opamp是运放U1的噪声。H（f）是由Rs和Cs组成的低通滤波器函数。（R2/R1+R2）为环路增益，在仅采用电阻分压网络中，环路增益是小于1的。当噪声电压频率高于低通滤波器的拐点频率时，参考源的噪声由于低通滤波器的滤波作用，几乎可以忽略，此时LDO的输出噪声就是运放的噪声与闭环环路增益倒数的乘积，所以Vn_fet噪声被抑制，达到滤波的作用。即使在低通滤波器通带频率内，LDO的输出纹波和噪声同样也会被抑制。

现有LDO的电源纹波和噪声依然不够小，尤其在对电源噪声有严格要求的电路，如高相噪频率综合器、高相噪晶振等电路中，现有LDO依然无法满足要求。

从上述噪声分析公式（2）来看，增加环路增益，是可以进一步减小输出噪声的。但是如果仅增加环路增益，但不对直流电压和交流噪声分别处理的话，其弊端就是会导致参考电压提高，甚至会高于输入电压，该电路将无法实现。

综上所述，目前亟需一种能够进一步降低现有LDO的电源噪声，同时又能在理论上实现LDO的电路技术方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种低压差线性稳压器，其可以对直流电压和交流噪声分别处理，在实现低压差线性稳压器电路的同时获得非常低的电源噪声，从而应用于对电源噪声有严格要求的电路。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种低压差线性稳压器，包括误差放大器和PMOS功率管；

所述误差放大器的一个输入端接基准电压源，输出端接所述PMOS功率管的栅极；

所述PMOS功率管的源级作为该低压差线性稳压器的输入端，漏极作为该低压差线性稳压器的输出端，且所述输出端连接电阻分压器采样网络；

所述误差放大器的另一个输入端通过频分反馈放大电路连接所述电阻分压器采样网络，所述电阻分压器采样网络和所述频分反馈放大电路构成该低压差线性稳压器的反馈支路，所述频分反馈放大电路对所述反馈支路上的交流噪声信号和直流信号分别处理使其具有不同的放大增益。

优选的，所述基准电压源与所述误差放大器之间连接有低通滤波器。

进一步的，所述低通滤波器为ＲＣ低通滤波器。

优选的，所述电阻分压器采样网络包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端连接所述输出端，另一端连接所述第二电阻一端，所述第二电阻另一端接地；所述频分反馈放大电路一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，另一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端。

优选的，所述频分反馈放大电路包括：

第一支路，其一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端，另一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间；

第二支路，其一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端，另一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间；

其中，所述第一支路为单独的一个低通滤波器，所述第二支路为依次连接的第一高通滤波器、交流放大器和第二高通滤波器，所述交流放大器的放大倍数大于1。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在现有LDO电路中，增加了频分反馈放大电路，对直流电压和交流噪声增益分别处理，使反馈支路的交直流信号具有不同增益设置，既避免其弊端又提高交流环路增益，降低交流噪声，达到进一步滤波的作用，从而使该低压差线性稳压器达到在稳定直流电压的同时获得非常低的电源噪声，进一步降低了现有LDO的电源纹波和噪声，在对电源噪声有严格要求的电路，如高相噪频率综合器、高相噪晶振等电路中，本发明能起到非常关键的作用。

附图说明：

图1是现有的低压差线性稳压器示意图；

图2是现有的低压差线性稳压器的噪声模型示意图；

图3是本发明实施例提供的低压差线性稳压器示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明在现有低压差线性稳压器的反馈支路上进行了交直流分流设计，完成对反馈支路的交直流信号的不同增益设置，达到进一步减小输出噪声的目的，从而使该低压差线性稳压器达到在稳定直流电压的同时获得非常低的电源噪声，进一步降低了现有LDO的电源纹波和噪声。

如图３所示的低压差线性稳压器，包括误差放大器U1和PMOS功率管；所述误差放大器U1的一个输入端(负向输入端)接基准电压源Vref，输出端接所述PMOS功率管的栅极；所述PMOS功率管的源级作为该低压差线性稳压器的输入端Vin，漏极作为该低压差线性稳压器的输出端Vout，且所述输出端Vout连接电阻分压器采样网络。所述误差放大器U1的另一个输入端(正相输入端)通过频分反馈放大电路1连接所述电阻分压器采样网络，所述电阻分压器采样网络和所述频分反馈放大电路1构成该低压差线性稳压器的反馈支路，所述频分反馈放大电路1对所述反馈支路上的交流噪声信号和直流信号分别处理使其具有不同的放大增益。

具体的，所述基准电压源Vref与所述误差放大器U1之间连接有低通滤波器。所述低通滤波器为ＲＣ低通滤波器。在一个具体实施例中，所述低通滤波器由Ｒｓ、Ｃｓ构成，Rs=10KΩ，Cs=10uF，其作用就是完成对参考电压的低通滤波。

所述电阻分压器采样网络包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1一端连接所述输出端Vout，另一端连接所述第二电阻R2一端，所述第二电阻R2另一端接地；所述频分反馈放大电路1一端连接于所述第一电阻R1和第二电阻R2之间，另一端连接所述误差放大器U1的所述另一个输入端(正相输入端)。本实施例中所述第一电阻Ｒ１和第二电阻Ｒ２的阻值为R1=R2=4.7KΩ。

所述频分反馈放大电路1包括第一支路101和第二支路102，具体的：

第一支路101，其一端连接所述误差放大器U1的所述另一个输入端（正相输入端)，另一端连接于所述第一电阻R1和第二电阻R2之间。

第二支路102，其一端连接所述误差放大器U1的所述另一个输入端（正相输入端)，另一端连接于所述第一电阻R1和第二电阻R2之间。

其中，所述第一支路101为单独的一个低通滤波器LPF，所述第二支路102为依次连接的第一高通滤波器HPF、交流放大器U2和第二高通滤波器HPF，所述交流放大器U2的放大倍数大于1。

结合参看图３，LPF为低通滤波器，HPF为高通滤波器，运放U2为交流放大器（本实施例中运放型号为OP184）具有一定的放大倍数，假定U2的放大倍数为G2，G2大于1。

根据叠加定理，本发明中将电路分解为交流和直流不同类型进行分析，其结果在输出端是共同作用的叠加。

对直流即DC而言，由于HPF的作用，HPF和U2支路（即第二支路）不工作。其直流稳压输出仍然同现有原方案（即图1所示的LDO）一样，即：

Vout_dc=（1+R1/R2）V_REF。

对交流噪声即AC而言，由于LPF的作用，LPF支路（即第一支路）不工作。其噪声模型仍然可以参考图2,只是反馈支路的环路增益会乘上U2的放大倍数G2，参看下式：

因此：

可以看出，输出的噪声电压相对于现有方案降低了G2倍，即输出噪声得到了进一步的减小。

本发明在原有低噪声直流稳压电路中，增加了频分的反馈放大电路，进一步的降低了现有方案的电源纹波和噪声。在反馈支路上进行了交直流分流设计，使得交直流有不同的放大增益。对直流而言，反馈增益为1，与现有方案等同，因此不需要提高参考电压。对交流噪声而言，反馈增益可以提高到几倍甚至十几倍，当环路增益大于1时，输出噪声会进一步降低。在对电源噪声有严格要求的电路，如高相噪频率综合器、高相噪晶振等电路中，本发明起到非常关键的作用。

本发明在现有LDO电路中，增加了频分反馈放大电路，对直流电压和交流噪声增益分别处理，使反馈支路的交直流信号具有不同增益设置，既避免其弊端又提高交流环路增益，降低交流噪声，达到进一步滤波的作用，从而使该低压差线性稳压器达到在稳定直流电压的同时获得非常低的电源噪声，进一步降低了现有LDO的电源纹波和噪声，在对电源噪声有严格要求的电路，如高相噪频率综合器、高相噪晶振等电路中，本发明能起到非常关键的作用。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (5)

1.一种低压差线性稳压器，包括误差放大器和PMOS功率管；

所述误差放大器的一个输入端接基准电压源，输出端接所述PMOS功率管的栅极；

所述PMOS功率管的源级作为该低压差线性稳压器的输入端，漏极作为该低压差线性稳压器的输出端，且所述输出端连接电阻分压器采样网络；

其特征在于：

所述误差放大器的另一个输入端通过频分反馈放大电路连接所述电阻分压器采样网络，所述电阻分压器采样网络和所述频分反馈放大电路构成该低压差线性稳压器的反馈支路，所述频分反馈放大电路对所述反馈支路上的交流噪声信号和直流信号分别处理使其具有不同的放大增益。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述基准电压源与所述误差放大器之间连接有低通滤波器。

3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低通滤波器为ＲＣ低通滤波器。

4.根据权利要求1－３任一项所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电阻分压器采样网络包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端连接所述输出端，另一端连接所述第二电阻一端，所述第二电阻另一端接地；

所述频分反馈放大电路一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，另一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端。

5.根据权利要求４所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述频分反馈放大电路包括：

第一支路，其一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端，另一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间；

第二支路，其一端连接所述误差放大器的所述另一个输入端，另一端连接于所述第一电阻和第二电阻之间；

其中，所述第一支路为单独的一个低通滤波器，所述第二支路为依次连接的第一高通滤波器、交流放大器和第二高通滤波器，所述交流放大器的放大倍数大于1。