CN106155159B - 复用电路和误差放大器以及多路输出低压差线性稳压器 - Google Patents

复用电路和误差放大器以及多路输出低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了复用电路和误差放大器以及多路输出低压差线性稳压器；多路输出低压差线性稳压器,包括误差放大器、复用电路和反馈电路，其特征在于：误差放大器通过反馈电路接收复用电路提供的反馈电压，误差放大器将收到的反馈电压与参考电压进行比较，输出放大信号到复用电路；同时，误差放大器输出电压信号为复用电路提供偏置电压；复用电路将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，转换成N个电压信号，放大后通过N个电压输出端输出；本发明可有效提高LDO的线性调整率、电源电压抑制比、减小输出噪声和芯片面积，降低应用复杂度和成本，具有良好的应用前景。

Description

复用电路和误差放大器以及多路输出低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及低压差线性稳压器,具体涉及复用电路和误差放大器以及多路输出低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(LDO)是一种能够提供洁净直流电源的电路，具有压差低、成本低、体积小、电源电压抑制比(PSRR)高的特点，它可以应用于手机、笔记本电脑、通信、汽车电子、消费电子等领域。LDO主要由误差放大器、调整管和电压反馈电阻构成。误差放大器，调整管，电压反馈电阻构成电压负反馈，输出稳定的直流电压。随着科学技术水平的发展，集成电路的功能越来越丰富，集成度也越来越高，一个功能芯片通常需要集成多个LDO，为芯片内部的其他单元电路供电。传统的LDO通常需要外部电容补偿相位余度，如果片内集成多个LDO，每个LDO都需要外接电容，增加应用的复杂度和成本；也有通过电容倍增技术在芯片内部补偿相位余度的方法，但这种方法仅限于单路输出的LDO，如果需要多路输出、则需要多个误差放大器、调整管和电压反馈电阻，芯片面积较大。传统的LDO中误差放大器的电源电压由输入电源直接提供，PSRR由环路增益决定，提高环路增益可以提高LDO的PSRR，但太高的环路增益也意味着相位余度的补偿变得更加困难，所以通常LDO的环路增益小于60dB，PSRR也不高。图1和图2所示是传统的LDO电路结构，图1中的LDO由误差放大器AMP、调整管M11、电压反馈电阻R11、R21、外部补偿电容COUT和等效电阻RESR构成，需要外接电容补偿相位余度，应用复杂，成本高。图2中的LDO利用电容倍增技术补偿相位余度，但不能实现多路输出的功能。这两种LDO中的误差放大器电源都由外部电源直接提供，不能得到较高的电源电压抑制比。
随着电源管理技术的快速发展，对低压差线性稳压器的压差、PSRR和成本等指标要求越来越高，传统的LDO已经无法满足现有的需求。本发明提出了一种多路输出的LDO和误差放大器以及复用电路，在不需要外部电容补偿的条件下能保证环路稳定，仅需要一个误差放大器和多个简单的复用电路实现多路输出功能，减小了LDO的芯片面积，降低了成本，还提出了一种新颖的LDO电路结构，误差放大器的电源不需要接到外部电源电压，而是采用自供电方法，用LDO的输出电压为误差放大器供电，有效提高电源电压抑制比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种多路输出低压差线性稳压器。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种构成多路输出低压差线性稳压器的误差放大器。
本发明所要解决的技术问题之三是提供一种构成多路输出低压差线性稳压器的复用电路。
本发明的第一个技术方案，一种多路输出低压差线性稳压器,包括误差放大器、多路输出复用电路和反馈电路，其特征在于：
一种多路输出低压差线性稳压器,包括误差放大器、复用电路和反馈电路，其特点是：
误差放大器包括反馈电压输入端、基准电压输入端、偏置电压输出端和信号输出端；
复用电路包括信号输入端、参考电压输入端、偏置电压输入端和N个电压输出端；其中：
误差放大器的反馈电压输入端通过反馈电路接收复用电路提供的反馈电压，误差放大器将收到的反馈电压与参考电压进行比较，输出放大信号到复用电路；同时，误差放大器输出电压为复用电路提供偏置电压；
复用电路将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，转换成N个电压信号，放大后通过N个电压输出端输出。
根据本发明所述的多路输出低压差线性稳压器的优选方案，该低压差线性稳压器还包括启动电路；
所述启动电路用于在启动时为误差放大器提供启动所需的偏置电压；
误差放大器由复用电路提供电源电压。
根据本发明所述的多路输出低压差线性稳压器的优选方案，该低压差线性稳压器还包括相位补偿电路；
所述启括相位补偿电路用于进行相位补偿，为低压差线性稳压器的闭环系统提供主极点和零点，补偿相位裕度，保证环路稳定。
根据本发明所述的多路输出低压差线性稳压器的优选方案，所述多路输出复用电路包括N个复用电路单元，每个复用电路单元均包括信号输入端、参考电压输入端、偏置电压输入端和电压输出端；所有复用电路单元的信号输入端同时相联，并接收误差放大器输出的放大信号；所有复用电路单元的偏置电压输入端同时相联，并接收误差放大器输出的输出电压；所有复用电路单元的参考电压输入端同时相联，并接收参考电压，每个复用电路单元均将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，放大后通过各自的电压输出端输出；同时，其中一个复用电路单元还通过反馈电路为误差放大器提供反馈电压。
根据本发明所述的多路输出低压差线性稳压器的优选方案，所述复用电路单元包括二级放大器和调整管，第一级放大器为共源放大器，第二级放大器为共源共栅放大器。
每个复用电路单元包括第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二、二十三、二十四和第二十五场效应管；第十七场效应管的源极和第二十五场效应管的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容接地；第十七场效应管的漏极接第十八场效应管的漏极和栅极，同时接第十九场效应管的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管的漏极接第二十场效应管的源极；第二十场效应管的栅极与第二十二场效应管的栅极连接，同时接收参考电压；第二十场效应管的漏极接第二十三场效应管的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管的漏极接第二十二场效应管的漏极，同时接第二十五场效应管的栅极；第二十二场效应管的源极接第二十一场效应管的漏极；第二十一场效应管的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端。
根据本发明所述的多路输出低压差线性稳压器的优选方案，所述误差放大器为共源放大器，由复用电路单元的输出供电。
共源放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管的源极接地，第二场效应管的栅极为复用电路单元提供偏置电压；第二场效应管的漏极同时接第三场效应管的源极和第四场效应管的源极，第三场效应管的栅极接收参考电压，第三场效应管的漏极接第五场效应管的栅极和漏极，同时接第六场效应管的栅极；第五场效应管的源极和第六场效应管的源极接收复用电路单元提供的输出电压；第六场效应管的漏极接第四场效应管的漏极，作为误差放大器的输出端。
本发明的第二个技术方案是：一种构成低压差线性稳压器的误差放大器，其特点是：该误差放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管的源极接地，第二场效应管的栅极为复用电路单元提供偏置电压；第二场效应管的漏极同时接第三场效应管的源极和第四场效应管的源极，第三场效应管的栅极接收参考电压，第三场效应管的漏极接第五场效应管的栅极和漏极，同时接第六场效应管的栅极；第五场效应管的源极和第六场效应管的源极接收复用电路单元提供的输出电压；第六场效应管的漏极接第四场效应管的漏极，作为误差放大器的输出端。
本发明的第三个技术方案是：一种构成低压差线性稳压器的复用电路，其特征在于：该复用电路包括若干个复用电路单元，每个复用电路单元包括第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二、二十三、二十四和第二十五场效应管；第十七场效应管的源极和第二十五场效应管的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容接地；第十七场效应管的漏极接第十八场效应管的漏极和栅极，同时接第十九场效应管的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管的漏极接第二十场效应管的源极；第二十场效应管的栅极与第二十二场效应管的栅极连接，同时接收参考电压；第二十场效应管的漏极接第二十三场效应管的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管的漏极接第二十二场效应管的漏极，同时接第二十五场效应管的栅极；第二十二场效应管的源极接第二十一场效应管的漏极；第二十一场效应管的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端。
本发明所述的构成多路输出的低压差线性稳压器和误差放大器的有益效果是：仅需要一个误差放大器和复用电路实现多路输出功能，不需要外部电容补偿的条件下能保证环路稳定，采用自供电技术提高LDO的电源电压抑制比；本发明电路结构简单，成本低、体积小、性能优，有效提高了LDO的电源电压抑制比、线性调整率等指标，减小了芯片面积，降低了成本，具有良好的应用前景，可以广泛应用于手机、电脑、通信、汽车电子、电子电器等领域。
附图说明
图1是传统的需要外部电容补偿的低压差线性稳压器的原理框图。
图2是传统的单路内部电容补偿的低压差线性稳压器的原理框图。
图3是本发明提出的多路输出低压差线性稳压器的原理框图。
图4是本发明提出的多路输出低压差线性稳压器的电路原理图。
图5是本发明提出的误差放大器和复用电路单元的原理图。
图6是LDO输出电压随电源电压VCC变化的仿真曲线
图7是LDO电源电压抑制比的仿真曲线。
图8是LDO环路稳定性的仿真曲线。
图9是LDO输出噪声的仿真曲线。
具体实施方式
参见图3，一种多路输出低压差线性稳压器,包括启动电路3、误差放大器1、复用电路2、反馈电路和相位补偿电路4，其中：
误差放大器1包括反馈电压输入端、基准电压输入端、偏置电压输出端和信号输出端；
复用电路2包括信号输入端、参考电压输入端、偏置电压输入端和N个电压输出端；N为≥2的自然数，具体取值根据需要确定；其中：
电阻R1、R2构成反馈电路；
误差放大器1的反馈电压输入端通过反馈电路接收复用电路2提供的反馈电压，误差放大器1将收到的反馈电压与参考电压进行比较，输出放大信号到复用电路；同时，误差放大器1输出电压信号为复用电路2提供偏置电压；
复用电路2将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，转换成N个电压信号，放大后通过N个电压输出端输出；
所述启动电路3用于在启动时为误差放大器提供启动所需的偏置电压；
误差放大器由复用电路提供电源电压；
所述相位补偿电路4用于进行相位补偿，为低压差线性稳压器的闭环系统提供主极点和零点，补偿相位裕度，保证环路稳定。
参见图4，在具体实施例中，所述复用电路包括N个复用电路单元21、22、23……2N，N为≥1的自然数，具体取值根据需要确定；每个复用电路单元均包括信号输入端、参考电压输入端、偏置电压输入端和电压输出端；所有复用电路单元的信号输入端同时相联，并接收误差放大器输出的放大信号V1；所有复用电路单元的偏置电压输入端同时相联，并接收误差放大器1输出的电压信号；所有复用电路单元的参考电压输入端同时相联，并接收参考电压VREF，每个复用电路单元均将误差放大器输出的放大信号与参考电压VREF进行比较，放大后通过电压输出端VLDO_1、VLDO_2、VLDO_3……VLDO_N输出；同时，其中一个复用电路单元21还通过反馈电路R1、R2为误差放大器1提供反馈电压VFB。误差放大器的电源端接其中一个复用电路的输出端VLDO_1，复用电路单元为误差放大器供电。
参见图5，所述复用电路单元包括二级放大器和调整管，第一级放大器为共源放大器，第二级放大器为共源共栅放大器。在具体实施例中，每个复用电路单元包括场效应管M17～M25；场效应管M17和场效应管M18构成共源放大器；场效应管M19～M24构成共源共栅放大器；M25为调整管；第十七场效应管M17的源极和第二十五场效应管M25的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容C4接地；第十七场效应管M17的漏极接第十八场效应管M18的漏极和栅极，同时接第十九场效应管M19的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管M19的漏极接第二十场效应管M20的源极；第二十场效应管M20的栅极与第二十二场效应管M22的栅极连接，同时接收参考电压VREF；第二十场效应管M20的漏极接第二十三场效应管M23的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管M24的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管M24的漏极接第二十二场效应管M22的漏极，同时接第二十五场效应管M25的栅极；第二十二场效应管M22的源极接第二十一场效应管M21的漏极；第二十一场效应管M21的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端，接收误差放大器1提供的偏置电压VB1。
所述误差放大器为包括共源放大器，由复用电路单元供电。在具体实施例中，该误差放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管M2的源极接地，第二场效应管M2的栅极为复用电路单元提供偏置电压VB1；第二场效应管M2的漏极同时接第三场效应管M3的源极和第四场效应管M4的源极，第三场效应管M3的栅极接收参考电压VREF，第三场效应管M3的漏极接第五场效应管M5的栅极和漏极，同时接第六场效应管M6的栅极；第五场效应管M5的源极和第六场效应管M6的源极接收复用电路单元提供的输出电压VLDO_1；第六场效应管M6的漏极接第四场效应管M4的漏极，作为误差放大器的输出端。
电流源I1、偏置电阻R3、场效应管M7～M15构成启动电路，作用是在LDO输出电压还未建立之前，为误差放大器供电，保证误差放大器正常工作；启动电路中，M13的源极接M5的源极和M6的源极，同时接LDO的输出端VLDO_1；R1、R2构成电压反馈电路，形成电压负反馈；M16、R4和C1、C2、C3构成相位补偿电路，其中C2是密勒补偿，C2和C3一起，提供主极点，R4提供一个零点，抵消第一非主极点；C4是滤波电容，作用是高频滤波。
一种构成低压差线性稳压器的误差放大器，该误差放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管M2的源极接地，第二场效应管M2的栅极为复用电路单元提供偏置电压VB1；第二场效应管M2的漏极同时接第三场效应管M3的源极和第四场效应管M4的源极，第三场效应管M3的栅极接收参考电压VREF，第三场效应管M3的漏极接第五场效应管M5的栅极和漏极，同时接第六场效应管M6的栅极；第五场效应管M5的源极和第六场效应管M6的源极接收复用电路单元提供的输出电压VLDO_1；第六场效应管M6的漏极接第四场效应管M4的漏极，作为误差放大器的输出端。
一种构成低压差线性稳压器的复用电路，该复用电路包括若干个复用电路单元，每个复用电路单元包括场效应管M17～M25；场效应管M17和场效应管M18构成共源放大器；场效应管M19～M24构成共源共栅放大器；M25为调整管；第十七场效应管M17的源极和第二十五场效应管M25的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容C4接地；第十七场效应管M17的漏极接第十八场效应管M18的漏极和栅极，同时接第十九场效应管M19的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管M19的漏极接第二十场效应管M20的源极；第二十场效应管M20的栅极与第二十二场效应管M22的栅极连接，同时接收参考电压VREF；第二十场效应管M20的漏极接第二十三场效应管M23的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管M24的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管M24的漏极接第二十二场效应管M22的漏极，同时接第二十五场效应管M25的栅极；第二十二场效应管M22的源极接第二十一场效应管M21的漏极；第二十一场效应管M21的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端，接收误差放大器1提供的偏置电压VB1。
由此可见，本发明的低压差线性稳压器采用三级放大，第一级和第二级放大器为共源放大器，由LDO的输出供电，第三级放大器为共源共栅放大器由电源供电，该结构可以提高电源电压抑制比。稳压器的开环增益为：
其中：gm3、4为M3或M4场效应管的跨导，且M3和M4场效应管的跨导相等，RO4为M4晶体管的输出电阻，RO6为M6晶体管的输出电阻，gm17为M17场效应管的跨导，RO17为M17晶体管的输出电阻，gm18为M18场效应管的跨导，gm19、21为M19或M21场效应管的跨导，且M19和M21场效应管的跨导相等，gm20、22为M20或M22场效应管的跨导，且M20和M22场效应管的跨导相等，RO21为M21晶体管的输出电阻，RO22为M22晶体管的输出电阻，RO24为M24晶体管的输出电阻。
该开环增益决定了LDO的线性调整率和电源电压抑制比，开环增益越高，LDO的线性调整率和电源电压抑制比就越好。
仿真验证结果表明：参见图6是低压差线性稳压器输出电压随电源电压VCC变化的仿真曲线，在A点VCC电压为3.0V，LDO的输出电压为2.85245V，压差为148mV，在B点VCC电压为5.0V，LDO的输出电压为2.85293V，dx是电源电压VCC的变化量，为2V；dy为输出电压的变化量，仅483.8μV，s为线性调整率，为0.024％。参见图7，是LDO电源电压抑制比的仿真曲线，在A2点低频处的电源电压抑制比为-75.1dB，在A3点频率为1KHz处的电源电压抑制比为-65.5dB，在A4点频率为10KHz处的电源电压抑制比为-45.5dB。参见图8，是LDO环路稳定性的仿真曲线，上半部分是环路相位曲线，下半部分是环路增益曲线，相位的单位deg表示度(°)，在环路增益为0dB时，对应的相位是127.8°，即LDO的相位余度是127.8°，该闭环系统稳定。参见图9，是LDO输出噪声的仿真曲线，在A5点频率为10Hz处的输出噪声为25.4μV/sqrt(Hz)，在A6点10KHz处的输出噪声为823.7nV/sqrt(Hz)，在A7点100KHz处的输出噪声为231.2nV/sqrt(Hz)。其中sqrt(Hz)表示根号赫兹。
综上所述，采用本发明的多路输出低压差线性稳压器，可有效提高LDO的线性调整率、电源电压抑制比、减小输出噪声和芯片面积，降低应用复杂度和成本。
上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但是，本发明保护的不仅限于具体实施方式的范围。

Claims (9)

1.一种多路输出低压差线性稳压器,包括误差放大器、复用电路和反馈电路，其特征在于：
误差放大器通过反馈电路接收复用电路提供的反馈电压，误差放大器将收到的反馈电压与参考电压进行比较，输出放大信号到复用电路；同时，误差放大器输出电压信号为复用电路提供偏置电压；
复用电路将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，转换成N个电压信号，放大后通过N个电压输出端输出，N为≥2的自然数；
该低压差线性稳压器还包括启动电路；
所述启动电路用于在启动时为误差放大器提供启动所需的偏置电压；
误差放大器由复用电路提供电源电压。
2.根据权利要求1所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：该低压差线性稳压器还包括相位补偿电路；
所述相位补偿电路用于进行相位补偿。
3.根据权利要求1或2所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：
所述复用电路包括N个复用电路单元，每个复用电路单元均包括信号输入端、参考电压输入端、偏置电压输入端和电压输出端；所有复用电路单元的信号输入端同时相联，并接收误差放大器输出的放大信号；所有复用电路单元的偏置电压输入端同时相联，并接收误差放大器输出的电压信号；所有复用电路单元的参考电压输入端同时相联，并接收参考电压，每个复用电路单元均将误差放大器输出的放大信号与参考电压进行比较，放大后通过各自的电压输出端输出；同时，其中一个复用电路单元还通过反馈电路为误差放大器提供反馈电压。
4.根据权利要求3所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：所述复用电路单元包括二级放大器和调整管，第一级放大器为共源放大器，第二级放大器为共源共栅放大器。
5.根据权利要求4所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：每个复用电路单元包括第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二、二十三、二十四和第二十五场效应管；第十七场效应管的源极和第二十五场效应管的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容接地；第十七场效应管的漏极接第十八场效应管的漏极和栅极，同时接第十九场效应管的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管的漏极接第二十场效应管的源极；第二十场效应管的栅极与第二十二场效应管的栅极连接，同时接收参考电压；第二十场效应管的漏极接第二十三场效应管的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管的漏极接第二十二场效应管的漏极，同时接第二十五场效应管的栅极；第二十二场效应管的源极接第二十一场效应管的漏极；第二十一场效应管的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端。
6.根据权利要求5所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：所述误差放大器包括共源放大器，由复用电路单元供电。
7.根据权利要求6所述的多路输出低压差线性稳压器，其特征在于：共源放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管的源极接地，第二场效应管的栅极为复用电路单元提供偏置电压；第二场效应管的漏极同时接第三场效应管的源极和第四场效应管的源极，第三场效应管的栅极接收参考电压，第三场效应管的漏极接第五场效应管的栅极和漏极，同时接第六场效应管的栅极；第五场效应管的源极和第六场效应管的源极接收复用电路单元提供的输出电压；第六场效应管的漏极接第四场效应管的漏极，作为误差放大器的输出端。
8.一种构成低压差线性稳压器的误差放大器，其特征在于：该误差放大器包括第二、三、四、五、六场效应晶体管；第二场效应管的源极接地，第二场效应管的栅极为复用电路单元提供偏置电压；第二场效应管的漏极同时接第三场效应管的源极和第四场效应管的源极，第三场效应管的栅极接收参考电压，第三场效应管的漏极接第五场效应管的栅极和漏极，同时接第六场效应管的栅极；第五场效应管的源极和第六场效应管的源极接收复用电路单元提供的输出电压；第六场效应管的漏极接第四场效应管的漏极，作为误差放大器的输出端。
9.一种构成低压差线性稳压器的复用电路，其特征在于：该复用电路包括若干个复用电路单元，每个复用电路单元包括第十七、十八、十九、二十、二十一、二十二、二十三、二十四和第二十五场效应管；第十七场效应管的源极和第二十五场效应管的漏极连接，作为复用电路单元的输出端，并通过第四滤波电容接地；第十七场效应管的漏极接第十八场效应管的漏极和栅极，同时接第十九场效应管的栅极；第十八、十九、二十一场效应管的源极接地，第十九场效应管的漏极接第二十场效应管的源极；第二十场效应管的栅极与第二十二场效应管的栅极连接，同时接收参考电压；第二十场效应管的漏极接第二十三场效应管的漏极和栅极，同时接第二十四场效应管的栅极；第二十三、二十四、二十五场效应管的源极都接电源，第二十四场效应管的漏极接第二十二场效应管的漏极，同时接第二十五场效应管的栅极；第二十二场效应管的源极接第二十一场效应管的漏极；第二十一场效应管的栅极为复用电路单元的偏置电压输入端。
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