CN105630058A - 一种改进型片上线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型片上线性稳压器，包括：误差放大器，前级电压采样电路，尾部反馈电路以及输出电路。所述误差放大器用于稳定前级反馈环路，使得采样节点电压稳定在一个恒定值；所述前级电压采样电路连接所述误差放大器和尾部反馈电路，用于被误差放大器采样电压和提供后级输出电路所镜像的结构；所述尾部反馈电路连接所述前级电压采样电路和输出电路，用于将输出端口电压与前级相联系以提高该线性稳压器的负载调整率；所述输出电路用于镜像前级结构，构成共源级输出，增强该线性稳压器的负载瞬态响应。

Description

一种改进型片上线性稳压器

技术领域

本发明涉及电源管理电路技术，特别涉及一种线性稳压器。

背景技术

供电和电源调整是电子系统最基本的功能。没有稳定的供电，任何带负载的应用，不管是手机还是无线传感网节点，都不可能正常工作，因为电池和其他离线电源所提供的电流和电压在不同时间和不同工作条件下都会发生改变。本质上它们都会产生噪声和抖动；另外，高功率的开关电路更加促使了噪声和抖动的产生，如CPU和DSP。快速改变的负载使得原来没有噪声的电源出现了瞬态偏移，最终会导致原本应是直流的成分出现了不必要的电压下降和频率散杂。线性稳压器的功能就是把这些不可预测的、有噪声的电压转变成持续不变的、精确的、与负载无关的电压，把有害的波动降到更低、能够接受的程度。

随着系统芯片(System-on-a-chip,SoC)的不断发展，将线性稳压器集成于SoC芯片中成为了重要的发展趋势。在SoC芯片中，通常会使用片内线性稳压模块为其中的模拟电路及数字电路单独供电。这种方法的优势在于能够显著减小串扰，提高输出电压的负载线性度，同时能够减小由于传输线上电感带来的电压抖动。另外，全片内的线性稳压器能够显著减小电路的片外引脚降低成本，方便客户使用。

据线性稳压器导通元件结构的不同，线性稳压器可分为以双极性器件为调整管的线性稳压器、以PMOS为调整管的线性稳压器、以NMOS为调整管的线性稳压器等。以NMOS为调整管的线性稳压器典型结构如图1所示。就输出电流而言，双极型器件为调整管的线性稳压器要优于以MOS器件为调整管的线性稳压器，适合用于大电流供电要求的电路中；但是在静态电流方面，MOS器件要优于双极型器件，适合用于低功耗设计要求的电路中；而在压降方面，NPN达林顿结构和PMOS器件的压差最小，适合用于低压差要求的电路中；在瞬态响应速度方面，NMOS比PMOS器件和横向结构的PNP器件速度要快，但是慢于NPN结构器件。虽然纵向的PNP结构也可以获得较高的瞬态速度，但是制造工艺并非标准工艺，成本较高。功率管的选择要根据线性稳压器的性能和所采用的工艺制程来决定。由于片上线性稳压器存在负载瞬态响应较差的缺点，且NMOS作为调整管的线性稳压器具有较好的瞬态响应，功耗和成本均较低，所以本发明选取NMOS管作为片上线性稳压器的功率调整管。

参照图2。文献“DenBestenGW,NautaB.Embedded5V-to-3.3VvoltageregulatorforsupplyingdigitalIC'sin3.3VCMOStechnology[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,1998,33(7):956-962.”公开了一种基于NMOS管作为功率调整管的线性稳压器。该线性稳压器由于将输出与前级反馈回路隔绝，所以虽然得到了良好的负载瞬态响应性能，但是负载调整率性能较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在保持背景技术结构中优越的负载瞬态响应性能的同时，提高该结构的负载调整率

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种线性稳压器，包括：误差放大器，前级电压采样电路，尾部反馈电路以及输出电路。所述误差放大器用于稳定前级反馈环路，使得采样节点电压稳定在一个恒定值；所述前级电压采样电路连接所述误差放大器和尾部反馈电路，用于被误差放大器采样电压和提供后级输出电路所镜像结构；所述尾部反馈电路连接所述前级电压采样电路和输出电路，用于将输出端口电压与前级相联系以提高该线性稳压器的负载调整率；所述输出电路用于镜像前级结构，构成共源级输出，增强该线性稳压器的负载瞬态响应。其中，所述尾部反馈电路包括PMOS管P9、PMOS管P10、PMOS管P11、PMOS管P12、NMOS管N7、NMOS管N8、NMOS管N9、NMOS管N10、NMOS管N11及NMOS管N12；所述PMOS管P10和PMOS管P11的源极连接电源电压输入端口，各自栅极和各自漏极相连；所述NMOS管N9和PMOS管P10的漏极相连，NMOS管N9的栅极连接前级电压采样电路的输出；所述NMOS管N10和PMOS管P11的漏极相连，NMOS管N10的栅极连接输出电路的输出端口；所述NMOS管N11的源极接地，漏极分别和NMOS管N9和NMOS管N10的源级相连，NMOS管N11的栅极连接偏置信号的输入端口；所述PMOS管P9的源极连接电源电压输入端口，栅极和PMOS管P10的栅极相连；所述PMOS管P12的源极连接电源电压输入端口，栅极和PMOS管P11的栅极相连；所述NMOS管N8的源极接地，漏极与本身的栅极和PMOS管P9的漏极相连；所述NMOS管N12的源极接地，漏极与栅极和PMOS管P12的漏极相连；所述NMOS管N7的源极接地，漏极和误差放大器的负相输入端口相连，栅极与NMOS管N8的栅极相连。

(三)有益效果

本发明的改进型片上线性稳压器拥有高性能负载瞬态响应，同时静态电流较低，系统无需额外补偿。

附图说明

图1是以NMOS作为调整管的典型线性稳压器结构示意简图；

图2是背景技术基于NMOS作为调整管的线性稳压器结构示意简图；

图3是本发明实施例中改进型片上线性稳压器结构示意图；

图4是图1、图2、图3结构的负载瞬态响应性能仿真结果对比图；

图5是图2、图3结构的负载调整率性能仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提出了一种改进型片上线性稳压器的设计，如图3所示。包括：误差放大器，前级电压采样电路，尾部反馈电路以及输出电路。所述误差放大器用于稳定前级反馈环路，使得采样节点电压稳定在一个恒定值；所述前级电压采样电路连接所述误差放大器和尾部反馈电路，用于被误差放大器采样电压和提供后级输出电路所镜像的结构；所述尾部反馈电路连接所述前级电压采样电路和输出电路，用于将输出端口电压与前级相联系以提高该线性稳压器的负载调整率；所述输出电路用于镜像前级结构，构成共源级输出，增强该线性稳压器的负载瞬态响应。

本实施例中，误差放大器采用了图3中的八个PMOS管(P1～P8)和五个NMOS管(N1～N5)结构。P1、P4、P7的源极连接电源电压输入信号V_in，P1的栅极连接外部偏置电压信号V_b1；P2、P5、P8的栅极连接外部偏置电压信号V_b2，源极分别与P1、P4、P7的漏极相连，P5的漏极与P4、P7的栅极相连；P2的漏极与P3、P6的源极连接；N1、N4的栅极和P3的栅极与前级带隙基准的输出电压信号V_ref相连，N1、N4的漏极分别与P5、P8的漏极相连；N2的漏极和N1的源极与P3的漏极相连，N5的漏极和N4的源极与P6的漏极相连，N2、N5、N3的源极接地，N2、N5的栅极和N3的漏极与外部偏置电压信号V_b相连，N3的栅极连接线性稳压器的使能信号EN。误差放大器在线性稳压器正常工作时，为前级反馈环路提供大增益的放大器，使得P6管的栅极电压在负载变化时仍保持在V_ref。

本实施例中，前级电压采样电路采用了图3中的两个NMOS管(N6、N15)、两个电阻(R1、R2)和一个电容(C1)。N6的漏极连接电源输入端口V_in；N15的漏极、C1的一端与N6的栅极和前级误差放大器的输出端P点，即P8的漏极相连，C1另一端与N15的源极接地，N15的栅极接本发明的使能信号EN；R1的一端接N6的源极；R2的一端与R1的另一端口即采样节点V_fb和前级误差放大器的负相输入端，即P6的栅极相连，R2的另一端口接地。前级电压采样电路为前级反馈回路提供采样电压，同时N6管为后级输出电路提供被镜像结构，C1用于抑制N6管栅源寄生电容对P点电压变化的影响。

本实施例中，尾部反馈电路采用了图3中的四个PMOS管(P9～P12)和六个NMOS管(N7～N12)结构。P10、P11的源极连接电源电压输入端口，各自栅极和各自漏极相连；N9和P10的漏极相连，N9的栅极连接前级电压采样电路的输出即N6的源极A点；N10和P11的漏极相连，N10的栅极连接输出电路的输出；N11的源极接地，漏极分别和N9和N10的源极相连，N11的栅极连接电压偏置信号V_b；P9的源极连接电源电压输入端口V_in，栅极和P10的栅极相连；P12的源极连接电源电压输入端口V_in，栅极和P11的栅极相连；N8的源极接地，漏极与本身的栅极和P9的漏极相连；N12的源极接地，漏极与本身的栅极和P12的漏极相连；N7的源极接地，漏极和误差放大器的负相输入端口相连。栅极与N8的栅极相连。尾部反馈电路将输出电压采样，经两极放大器和前级电压采样电路反馈回输出，抑制输出端口电压的变化。

本实施例中，输出电路采用了图3中的两个NMOS管(N13、14)、一个PMOS管(P13)和一个电容(C2)结构。N13的漏极与P13的源极和电源电压输入端V_in相连，N13的栅极与前级尾部反馈电路中N6的栅极P点相连，P13的栅极与使能控制端口EN的反相信号NEN相连；N14的源极与C2的一端接地，N14的栅极与偏置电压V_b相连，N14的漏极与N13的源极和C2的另一端相连，是本发明的最终输出端口V_out。输出电路镜像了前级电压采样电路中的结构，为尾部反馈电路提供采样电压，输出本发明的最终电压。

本发明的改进型片上线性稳压器具体工作过程如下：

1)空闲时段时，使能端口EN被偏置到3.3V，EN的反相信号NEN则被偏置到0V。N3、N15导通，将N6的栅极P点拉低至地。此时N13截止，P13的栅极由于被拉至0V，所以导通。输出端口电压由于P13的导通将被拉至与P13源极相同的电压，即电源输入电压，片上后级电路不能正常工作。

2)正常工作时，使能端口EN被偏置到0V，EN的反相信号NEN则被偏置到3.3V。此时N15、N3、P13均截止，线性稳压器开始正常工作。①当输出负载电流瞬间上升时：由于N13不能立刻提供相应的电流，所以多余的负载电流对输出电容放电，输出端口电压下降。V_out电压的下降，即N10栅极电压的下降，使得流过N10的电流下降。由于流过N9与N10的电流总和一定，所以流过N9的电流上升，即流过P10的电流上升。P9将流过P10的电流镜像缩小，所以流过P9的电流也上升，即流过N8的电流上升。N7将流过N8的电流镜像缩小，所以流过N7的电流也上升。误差放大器所在的反馈环路将N7的漏极电压，即V_fb稳定在V_ref，所以流过R1的电流上升，即流过N6的电流上升。由于电流较小，所以A点的电压将较小幅度的上升，所以P点的电压必将上升。P点电压的上升，增加了N13的栅极电压，所以V_OUT下降幅度将会减小。最终尾部反馈环路在抑制输出端口电压V_OUT变化。②当输出负载电流瞬间下降时：由于N13不能立刻提供相应的电流，所以多余的负载电流对输出电容充电，输出端口电压上升。V_out端口电压的上升，即N10栅极电压的上升，使得流过N10的电流上升。由于流过N9与N10的电流总和一定，所以流过N9的电流下降，即流过P10的电流下降。P9将流过P10的电流镜像缩小，所以流过P9的电流也下降，即流过N8的电流下降。N7将流过N8的电流镜像缩小，所以流过N7的电流也下降。误差放大器所在的反馈环路将N7的漏极电压，即V_fb稳定在V_ref，所以流过R1的电流下降，即流过N6的电流下降。由于电流较小，所以A点的电压将较小幅度的下降，所以P点的电压必将下降。P点电压的下降，减小了N13的栅极电压，所以V_OUT上升幅度将会减小。最终尾部反馈环路在抑制输出端口电压V_OUT变化。图3中除了N1和N10管处于亚阈值区，其他MOS管正常工作时均处于饱和区。当负载瞬态升高或下降时，输出端由于输出电容的存在会瞬间下降或升高，但是由于反馈电路会抑制P点电压变化，因此在负载电流变化相同的情况下，图3结构中的输出端口电压V_out变化幅度相比于没有尾部反馈电路，只有误差放大器、电压采样电路和输出电路的图2结构中的输出端口电压V_out变化幅度小。根据负载调整率的计算公式：

$R_{LDR}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{OUT}}{{\mathrm{\ΔI}}_{LOAD}}---\left(1\right)$

所以图3结构提高了图2结构线性稳压器的负载调整率性能。

图4示出了图2、图3结构的端口电压随着负载电流的变化仿真结果。从图4中可以看出图3结构相比于图2结构，负载调整率得到了改善。为了维持图1中采样点电压V_fb不变，图1结构必须使用大增益的误差放大器。但是图3结构中尾部反馈电路中的两极差分放大器所需的是小增益结构，所以图3结构中输出端口电压V_OUT变化幅度相比于图1结构中输出端口电压V_OUT变化幅度仍然较大，根据调整管电流公式：

$I_{LOAD}\≈I=\left(\frac{W}{L}\right)\·I_{D0}\·\exp \left(\frac{V_P-V_{OUT}}{V_{th}}\right)---\left(2\right)$

在负载电流变化相同的情况下，图3结构中P端口电压变化幅度相比于图1结构中P端口电压变化幅度较小。因此，根据负载瞬态响应时间公式：

$\mathrm{\Δ}t\≈\frac{0.37}{B\·W_{CL}}+C_P\·\left(\frac{{\mathrm{\ΔV}}_P}{I_P}\right)---\left(3\right)$

图3结构的负载响应时间比图1结构的短。又根据负载瞬态响应过冲欠冲电压公式：

${\mathrm{\ΔV}}_{TR\±}\≈\left(\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{LOAD}}{C_{OUT}+C_B^{\′}}\right)\·\mathrm{\Δ}t---\left(4\right)$

因此，图3结构的过冲欠冲电压比图1结构的小，所以图3结构的负载瞬态响应相比于图1结构的仍然可提高很多。图5示出了图1、图2、图3结构的输出端口电压随着负载电流的瞬态变化仿真结果。从图5中可以看出，相比于图2结构，图3结构的负载瞬态响应有所降低，但是相比于图1结构仍然提高很多，所以图3结构的线性稳压器仍然拥有优异的负载瞬态响应性能。最终本发明的线性稳压器在保留图2结构优异的负载瞬态响应性能的同时，提高了图2中结构中的较差的负载调整率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种改进型片上线性稳压器，包括：误差放大器，前级电压采样电路，尾部反馈电路，输出电路，其特征在于：

所述前级电压采样电路连接所述误差放大器和尾部反馈电路；所述尾部反馈电路连接所述前级电压采样电路和输出电路。

2.如权利要求1所述的改进型片上线性稳压器，其特征在于，所述尾部反馈电路包括PMOS管P9、PMOS管P10、PMOS管P11、PMOS管P12、NMOS管N7、NMOS管N8、NMOS管N9、NMOS管N10、NMOS管N11及NMOS管N12；所述PMOS管P10和PMOS管P11的源极连接电源电压输入端口，各自栅极和各自漏极相连；所述NMOS管N9和PMOS管P10的漏极相连，NMOS管N9的栅极连接前级电压采样电路的输出；所述NMOS管N10和PMOS管P11的漏极相连，NMOS管N10的栅极连接输出电路的输出端口；所述NMOS管N11的源极接地，漏极分别和NMOS管N9和NMOS管N10的源极相连，NMOS管N11的栅极连接偏置信号的输入端口；所述PMOS管P9的源极连接电源电压输入端口，栅极和PMOS管P10的栅极相连；所述PMOS管P12的源极连接电源电压输入端口，栅极和PMOS管P11的栅极相连；所述NMOS管N8的源极接地，漏极与本身的栅极和PMOS管P9的漏极相连；所述NMOS管N12的源极接地，漏极与栅极和PMOS管P12的漏极相连；所述NMOS管N7的源极接地，漏极和误差放大器的负相输入端口相连，栅极与NMOS管N8的栅极相连。