CN104898752A - 一种快速瞬态响应的无电容型ldo - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速瞬态响应的无电容型LDO，通过在LDO功率调整管的漏端和栅端引入可调节共源共栅反馈环路，使LDO输出端构成一个具有深度负反馈的射极跟随器，因此，LDO在全负载范围内都具有超低的交流输出阻抗，保证了输出极点始终处在高频。即使LDO负载电容和电流在较大范围变化时，无输出大电容型LDO在单位增益带宽以内只有一个主极点，保证了系统稳定性；由于无额外的补偿电容，实现了快速的瞬态响应。

Description

一种快速瞬态响应的无电容型LDO

技术领域

本发明涉及一种无电容型LDO，属于电路技术领域。

背景技术

LDO(Low Dropout Voltage Regulator：低压差线性稳压器)是最简单的线性稳压电源，它具有体积小、噪声小、输出波纹低，无电磁干扰且设计简单、外围原件少等优点。

在超大规模集成电路或SoC系统中的LDO模块如果在片内集成大电容，会大幅增加芯片面积；如果采用片外电容，则需要增加芯片的引脚。所以，无论从应用成本、复杂度还是LDO自身可靠性而言，需要设计一种无需外部大电容就能实现自稳定的无电容型LDO。

同传统型的LDO相比，无电容型LDO的最大区别在于电路结构上少了输出端并联的大电容。在传统LDO中，该输出端的大电容是一个重要的电荷储存和提供器件，能有效减小由于负载电流阶跃变化时输出电压的变化；同时依靠该电容与其等效的串联电阻形成左半平面的低频零点来抵消LDO环路内部的次主极点实现系统的稳定性。而无电容型LDO在稳定性和瞬态特性上存在着较大缺陷，是设计中的难点。

实现全片内LDO，目前广泛采用的技术是依靠多级嵌套式密勒补偿实现极点分裂和零极点抵消，但结构复杂，且补偿电容较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种快速瞬态响应的无电容型LDO。

为解决上述技术问题，本发明提供一种快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，在功率调整管的漏端和栅端引入可调节共源共栅反馈环路，使功率调整管源端的输出电压构成一个具有深度负反馈的射极跟随器。

输出电压的变化量经可调节共源共栅放大器放大后反馈至功率调整管的栅端。

可调节共源共栅反馈环路包括两个可调节共源共栅电路。

其中一个可调节共源共栅电路连接至功率调整管的漏端，该可调节共源共栅电路包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；第二电流源和第一晶体管为第二晶体管提供栅偏压；第三晶体管的漏端连接至功率调整管的栅端，第三晶体管的栅端同时连接至第二晶体管的漏端和第四晶体管的漏端，第二晶体管的源端接地；第四晶体管的源端连接至电源VDD，第四晶体管的栅端同时连接至第三晶体管的源端和第五晶体管的漏端，第五晶体管的源端连接至电源VDD。

其中另一个可调节共源共栅电路连接至功率调整管的栅端，该可调节共源共栅电路包括第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管；第一电流源和第十四晶体管为第十三晶体管提供栅偏压；第十三晶体管的漏端同时连接至第十一晶体管的栅端和第十二晶体管的漏端，第十二晶体管的源端接地；第十二晶体管的栅端同时连接至第十一晶体管的源端、第八晶体管的漏端和第十晶体管的漏端，第十晶体管的源端接地。

功率调整管漏端与第八晶体管的源端共连至输出电压；

第八晶体管的栅端与第七晶体管的栅端、漏端共连；第八晶体管的源端连接至可调节共源共栅反馈环路；

第七晶体管的源端连接至放大器的输出端，放大器的正向输入端为参考电压端，放大器的反向输入端分别经第一电阻接地，经第二电阻连接至放大器的输出端。

本发明所达到的有益效果：

本发明通过在LDO功率调整管的漏端和栅端引入可调节共源共栅反馈环路，使LDO输出端构成一个具有深度负反馈的射极跟随器，因此，LDO在全负载范围内都具有超低的交流输出阻抗，保证了输出极点始终处在高频。即使LDO负载电容和电流在较大范围变化时，无输出大电容型LDO在单位增益带宽以内只有一个主极点，保证了系统稳定性；由于无额外的补偿电容，实现了快速的瞬态响应。

附图说明

图1本发明LDO；

图2本发明LDO的负载电流与相位裕度的关系(200pF负载电容)；

图3本发明LDO的负载瞬态响应。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的快速瞬态响应的无电容型LDO，在功率调整管Q6的漏端和栅端引入可调节共源共栅反馈环路，使LDO输出电压OUT(即功率调整管Q6的漏端)构成一个具有深度负反馈的射极跟随器。

晶体管Q2、Q3、Q4、Q5组成一可调节共源共栅电路结构。电流源IB2和晶体管Q1为晶体管Q2提供栅偏压。设定电压VB2为晶体管Q5的栅偏压。晶体管Q3的漏端连接至功率调整管Q6的栅端A，晶体管Q3的栅端同时连接至晶体管Q2的漏端和晶体管Q4的漏端，晶体管Q2的源端接地；晶体管Q4的源端连接至电源VDD，晶体管Q4的栅端同时连接至晶体管Q3的源端和晶体管Q5的漏端，晶体管Q5的源端连接至电源VDD；

晶体管Q10、Q11、Q12、Q13组成另一可调节共源共栅电路结构。电流源IB1和晶体管Q14为晶体管Q13提供栅偏压。晶体管Q13的漏端同时连接至晶体管Q11的栅端和晶体管Q12的漏端，晶体管Q12的源端接地；晶体管Q12的栅端同时连接至晶体管Q11的源端、晶体管Q8的漏端B和晶体管Q10的漏端，晶体管Q10的源端接地。设定电压VB1为晶体管Q10的栅偏压。

晶体管Q8的源端、功率调整管Q6漏端共连至输出电压OUT。晶体管Q8的栅端与晶体管Q7的栅端、漏端共连。晶体管Q7的源端连接至放大器OP的输出端C，放大器OP的正向输入端为VREF端，放大器OP的反向输入端分别经电阻R1接地，经电阻R2连接至输出端C。

当负载R_L发生瞬变，导致输出电压OUT变化，进而节点B发生同相变化。节点B的变化量经晶体管Q10～Q13的可调节共源共栅放大后反馈至功率调整管Q6的栅端，由于功率调整管Q6的栅端到漏端经过180度相移，进而抑制了输出电压OUT的变化，使LDO的输出电压OUT快速稳定。其中可调节共源共栅放大器的高阻抗负载由晶体管Q2～Q5组成。

设晶体管Qi的跨导和本征阻抗分别为g_mi和r_0i，则由晶体管Q2～Q5构成的可调节共源共栅(RGC)在A点的阻抗为g_m4r_o4g_m3r_o3×r_o5。同理，由晶体管Q10～Q13构成的RGC在A点阻抗为g_m12r_o12g_m11r_o11×(r_o10//r_o10)，

A点总阻抗r_A为：

r_A＝(g_m4r_o4g_m3r_o3×r_o5)//[g_m12r_o12g_m11r_o11×(r_o10//r_o10)]   (1)

公式(1)比传统的共栅放大器的输出阻抗提升近2个数量级。

功率调整管Q6的寄生电容C_gd6，形成密勒补偿电容。因此A的极点：

$P_A=\frac{1}{r_A\×\[C_{gs6}+(1+A_6)C_{gd6}\]}---\left(2\right)$

其中，A₆为功率调整管Q6的电压增益。

在B点断开，计算LDO的开环增益A_open：

A_open＝g_m11r_o11g_m12r_o12×-g_m6(r_o10//g_m8r_o8r_o6)   (3)

在B点断开的OUT的开环阻抗r_open：

$r_{open}=r_{o6}//(1+\frac{r_{o10}}{r_{o8}})\×\frac{1}{g_{m8}}---\left(4\right)$

闭环输出阻抗r_closed：

$r_{closed}=\frac{r_{open}}{1+\left|A_{open}\right|}\≈\frac{1}{g_{m11}{r}_{o11}{g}_{m12}{r}_{o12}}\×\frac{1}{g_{m8}(r_{o8}//r_{o10})}\×\frac{1}{g_{m6}}---\left(5\right)$

由(4)和(5)，本发明LDO电路的输出阻抗比传统射极跟随器输出阻抗小约3个数量级，因此输出电压OUT处为低阻抗节点。即使负载电容较大，也能保证输出极点在单位增益带宽外。由(2)和(5)知，P_A为系统的主极点。

寄生的右半平面零点为其中C_gd6和g_m6分别为功率调整管Q6的漏栅电容和跨导，因为OUT为低阻抗节点，即使在轻载时，Q6具有一定的偏置电流，因此相对g_m6较大，z₀为高频零点，可忽略。

晶体管Q8的偏置由晶体管Q7和设定的参考电压VREF端提供，因此LDO的输出电压OUT：

$OUT\≈VC=VREF(1+\frac{R2}{R1})---\left(6\right)$

图2为LDO负载电流与环路相位裕度之间的关系，当负载电容为200pF，负载电流变化时，相位裕度大于45度。

如图3，负载电流的上升沿和下降沿为50ns，负载电流最小值为0.1mA，负载电流最大值为100mA，由于LDO极小的输出交流阻抗，负载电容为200pF下LDO仍具有良好的相位裕度。当负载电流跳变时，LDO输出电压的跌落和过冲均小于50mV。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，在功率调整管的漏端和栅端引入可调节共源共栅反馈环路，使功率调整管源端的输出电压构成一个具有深度负反馈的射极跟随器。

2.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，输出电压的变化量经可调节共源共栅放大器放大后反馈至功率调整管的栅端。

3.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，可调节共源共栅反馈环路包括两个可调节共源共栅电路。

4.根据权利要求3所述的快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，其中一个可调节共源共栅电路连接至功率调整管的漏端，该可调节共源共栅电路包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；第二电流源和第一晶体管为第二晶体管提供栅偏压；第三晶体管的漏端连接至功率调整管的栅端，第三晶体管的栅端同时连接至第二晶体管的漏端和第四晶体管的漏端，第二晶体管的源端接地；第四晶体管的源端连接至电源VDD，第四晶体管的栅端同时连接至第三晶体管的源端和第五晶体管的漏端，第五晶体管的源端连接至电源VDD。

5.根据权利要求3或4所述的快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，其中另一个可调节共源共栅电路连接至功率调整管的栅端，该可调节共源共栅电路包括第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管；第一电流源和第十四晶体管为第十三晶体管提供栅偏压；第十三晶体管的漏端同时连接至第十一晶体管的栅端和第十二晶体管的漏端，第十二晶体管的源端接地；第十二晶体管的栅端同时连接至第十一晶体管的源端、第八晶体管的漏端和第十晶体管的漏端，第十晶体管的源端接地。

6.根据权利要求3所述的快速瞬态响应的无电容型LDO，其特征是，功率调整管漏端与第八晶体管的源端共连至输出电压；

第八晶体管的栅端与第七晶体管的栅端、漏端共连；第八晶体管的源端连接至可调节共源共栅反馈环路；

第七晶体管的源端连接至放大器的输出端，放大器的正向输入端为参考电压端，放大器的反向输入端分别经第一电阻接地，经第二电阻连接至放大器的输出端。