CN106444947A - 一种用于无电容型ldo的补偿电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于无电容型LDO的补偿电路,包含输入端、输出端、运算放大器AMP和相互串接的负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2;运算放大器AMP包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和由电阻R3和电容C0串联形成的密勒补偿单元,其中,电阻R3的输入端接第一运算放大单元的输出端,电容C0的输出端与第二运算放大单元的输出端电性相连;当在第一运算放大单元输入基准电压时,运算放大器AMP工作,通过负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的作用得到一个稳定电压输出VOUT。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS集成电路设计领域,尤其涉及一种可以有效对无电容型LDO(lowdrop out)进行补偿的电路。
背景技术
LDO(low dropout regulator)是指低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的,它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(Power SupplyRejection Ratio)。
LDO是新一代的集成电路稳压器,它与三端稳压器最大的不同点在于,LDO是一个自耗很低的微型片上系统。LDO低压差线性稳压器的结构主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。
LDO的基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出电压稳定在规定值上,同理如果输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压保持不变,即:Vout=(R1+R2)/R2×Vref实际的低压差线性稳压器还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。
传统的无电容型LDO在稳定性和瞬态特性上存在着较大的缺陷,其稳定性和瞬态特性是其设计中的最大挑战。而目前比较好的方法是使用极点控制频率补偿方法(PCFC),如图1所示。请参阅图1,图1所示为现有技术中的无电容型LDO电路(极点控制频率补偿电路)的示意图。本领域技术人员清楚,该电路此方法基于网络米勒补偿技术(NMC),主要是在NMC补偿的基础上,增加前馈跨导级gm2和调零电阻Rn,该结构可以在一定电流和温度变化范围内保证系统获得良好的稳定性,并且,稳定性不受外接滤波电容的等效串联电阻(ESR)值影响。
因此,由于上述电路的负载变化同样会影响主极点的变化,从而使得系统的稳定性随之变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以有效对无电容型LDO进行补偿的电路,较于传统的补偿方式,电路更加简化,瞬态特性有所加强,同时使环路的稳定性大大提高。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种用于无电容型LDO的补偿电路,包含输入端、输出端、运算放大器AMP和相互串接的负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2;其中,所述负载调整管PM1的源极接电源VDD,所述第二负载分压电阻R2接地,所述运算放大器AMP的负极同输入端相连,所述运算放大器AMP的正极连接在第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的接点,所述负载调整管PM1的栅极同所述运算放大器AMP的输出端相连;所述运算放大器AMP包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和由电阻R3和电容C0串联形成的密勒补偿单元,其中,所述电阻R3的输入端接所述第一运算放大单元的输出端,所述电容C0的输出端与第二运算放大单元的输出端电性相连;当在第一运算放大单元输入基准电压时,所述运算放大器AMP工作,通过所述负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的作用得到一个稳定电压输出VOUT。
优选地,所述第一运算放大单元包括第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第五PMOS管PM5;所述第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,所述第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6形成电流镜电路,所述电流镜电路由IBIAS单元提供偏置电流。
优选地,所述的用于无电容型LDO的补偿电路还包括相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1;所述补偿电阻R0的输入端与运算放大器AMP的VP端相连,所述第一补偿电容C1的输出端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连,其中VP点位于所述第一运算放大单元中的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的栅极处。
优选地,所述的用于无电容型LDO的补偿电路还包括第二补偿电容C2,所述的第二补偿电容C2的输入端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连。
优选地,所述运放输入基准电源为BGR单元。
优选地,所述提供偏置电流的IBIAS单元为BGR单元。
从上述技术方案可以看出,本发明通过运放与负载调整管作为一个两级运放,或运放本身就为两级运放,那么整个系统就作为一个三级运放,即通过使用多级补偿的方式来提高系统的稳定性。因此,本发明可以有效对无电容型LDO进行补偿的电路,较于传统的补偿方式,电路更加简化,瞬态特性有所加强,同时使环路的稳定性大大提高。
附图说明
图1所示为现有技术中的无电容型LDO电路(极点控制频率补偿电路)的示意图
图2为本发明的起点电路(未加补偿时无电容型LDO补偿电路)的电路示意图
图3所示为本发明无电容型LDO补偿电路实施例中使用的运放AMP电路结构示意图
图4为未加补偿时的极点分布示意图
图5所示为本发明无电容型LDO补偿电路(在运放里加入密勒补偿)实施例中使用的运放AMP电路结构示意图
图6所示为运放加入米勒补偿后的极点分布示意图
图7所示为本发明实施例中具有对无电容型LDO补偿电路(包括相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1)示意图
图8所示为加入补偿电阻R0和第一补偿电容C1补偿后的极点分布示意图
图9所示为本发明实施例中具有对无电容型LDO补偿电路(还包括第二补偿电容C2)示意图
图10所示为图9电路补偿后的极点分布示意图
具体实施方式
下面结合附图2-10,对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是,在本发明的实施例中,依次通过本设计中仅使用的运放AMP(未加补偿时无电容型LDO补偿电路)的起点电路、具有对无电容型LDO补偿电路(在运放里加入密勒补偿)、具有对无电容型LDO补偿电路(包括相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1)和具有对无电容型LDO补偿电路(还包括第二补偿电容C2)这几种电路的补偿原理和效果进行详细说明。
起点电路
请参阅图2、3和图4,图2为本发明的起点电路(未加补偿时无电容型LDO补偿电路)的电路示意图;图3所示为本发明无电容型LDO补偿电路实施例中使用的运放AMP电路结构示意图;图4为未加补偿时的极点分布示意图。
如图2所示,在本发明的实施例中,一种用于无电容型LDO的补偿电路包含输入端、输出端、运算放大器AMP和相互串接的负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2;其中,负载调整管PM1的源极接电源VDD,第二负载分压电阻R2接地,运算放大器AMP的负极同输入端相连,运算放大器AMP的正极连接在第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的接点,负载调整管PM1的栅极同运算放大器AMP的输出端相连;运算放大器AMP包括第一运算放大单元和第二运算放大单元;当在第一运算放大单元输入基准电压时,运算放大器AMP工作,通过负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的作用得到一个稳定电压输出VOUT。
如图3所示,第一运算放大单元可以包括第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第五PMOS管PM5;第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6形成电流镜电路,电流镜电路由IBIAS单元提供偏置电流。
如图4所示,未加补偿时极点分布图中第一级运放输出极点P1、第二级运放输出端极点P2和LDO输出极点P3在无补偿的情况下,它们的分布顺序是P2-P3-P1,同时可以看出,三个极点P2-P3-P1靠的很近,这样就造成0dB情况下的PM很差,会导致系统的不稳定。
实施例一
请参阅图5和图6,图5所示为本发明无电容型LDO补偿电路(在运放里加入密勒补偿)实施例中使用的运放AMP电路结构示意图;图6所示为运放加入米勒补偿后的极点分布示意图。
请结合图3参阅图5,一种用于无电容型LDO的补偿电路,包含输入端、输出端、运算放大器AMP和相互串接的负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2;其中,负载调整管PM1的源极接电源VDD,第二负载分压电阻R2接地,运算放大器AMP的负极同输入端相连,运算放大器AMP的正极连接在第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的接点,负载调整管PM1的栅极同运算放大器AMP的输出端相连;运算放大器AMP包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和由电阻R3和电容C0串联形成的密勒补偿单元,其中,电阻R3的输入端接第一运算放大单元的输出端,电容C0的输出端与第二运算放大单元的输出端电性相连;当在第一运算放大单元输入基准电压时,运算放大器AMP工作,通过负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的作用得到一个稳定电压输出VOUT。
具体地,如图5所示,第一运算放大单元包括第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第五PMOS管PM5;第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6形成电流镜电路,电流镜电路由IBIAS单元提供偏置电流。也就是说,由电阻R3和电容C0串联形成的密勒补偿单元与第四NMOS管NM4的漏极和栅极相并接。
如图6所示,如果在运放里加入密勒补偿,主要是为了将P1和其他两个极点分开,将P1左移,但是整体上看,P2和P3离得近使得PM下降的厉害,使得0dB的PM依然无法满足要求。
实施例二
请参阅图7和图8,图7所示为本发明实施例中具有对无电容型LDO补偿电路(包括相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1)示意图;图8所示为加入补偿电阻R0和第一补偿电容C1补偿后的极点分布示意图。
图7所示为本发明实施例中无电容型LDO补偿电路结构示意图;如图所示,本实施例是在实施例一的基础上继续添加补偿,解决P2和P3两级点的影响,即加入了相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1。补偿电阻R0的输入端与运算放大器AMP的VP端相连,第一补偿电容C1的输出端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连,其中VP点位于第一运算放大单元中的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的栅极处。
请参阅图8,这样就得的一个好的PM值,但是同时又引入一个问题就是系统增益在降到0dB以下时随后又会翘起超出0Db,这样出现了第二个0dB对应的PM值为负,那么依然会出现不稳定的问题。
实施例三
请参阅图9和图10,图9所示为本发明实施例中具有对无电容型LDO补偿电路(还包括第二补偿电容C2)示意图;图10所示为图9电路补偿后的极点分布示意图。
本实施例是在实施例二的基础上继续添加补偿,为了解决增益上翘的问题,图9所示电路还包括第二补偿电容C2,的第二补偿电容C2的输入端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连。
也就是说,图9中的补偿电路输出极点位置添加了一个零点,使其尾部增益保证在0dB以下,这样就得到了一个好的PM值,满足了系统稳定性的要求(如图10所示)。
综上所述,本发明的实施例中的技术方案,其通过递进的补偿方式,电路更加简化,瞬态特性有所加强,同时使环路的稳定性大大提高。
以上的仅为本发明的优选实施例,实施例并非用以限制本发明的专利保护范围,因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于无电容型LDO的补偿电路,包含输入端、输出端、运算放大器AMP和相互串接的负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2;其中,所述负载调整管PM1的源极接电源VDD,所述第二负载分压电阻R2接地,所述运算放大器AMP的负极同输入端相连,所述运算放大器AMP的正极连接在第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的接点,所述负载调整管PM1的栅极同所述运算放大器AMP的输出端相连;其特征在于,所述运算放大器AMP包括第一运算放大单元、第二运算放大单元和由电阻R3和电容C0串联形成的密勒补偿单元,其中,所述电阻R3的输入端接所述第一运算放大单元的输出端,所述电容C0的输出端与第二运算放大单元的输出端电性相连;当在第一运算放大单元输入基准电压时,所述运算放大器AMP工作,通过所述负载调整管PM1、第一负载分压电阻R1和第二负载分压电阻R2的作用得到一个稳定电压输出VOUT。
2.根据权利要求1所述的用于无电容型LDO的补偿电路,其特征在于,所述第一运算放大单元包括第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第五PMOS管PM5;所述第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,所述第二运算放大单元包括第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6;其中,第零NMOS管NM0、第一NMOS管NM1、第四PMOS管PM4、第四NMOS管NM4和第六PMOS管PM6形成电流镜电路,所述电流镜电路由IBIAS单元提供偏置电流。
3.根据权利要求2所述的用于无电容型LDO的补偿电路,其特征在于,还包括相互串联的一个补偿电阻R0和第一补偿电容C1;所述补偿电阻R0的输入端与运算放大器AMP的VP端相连,所述第一补偿电容C1的输出端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连,其中VP点位于所述第一运算放大单元中的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的栅极处。
4.根据权利要求3所述的用于无电容型LDO的补偿电路,其特征在于,还包括第二补偿电容C2,所述的第二补偿电容C2的输入端同用于无电容型LDO的补偿电路的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的用于无电容型LDO的补偿电路,其特征在于,所述运放输入基准电源为BGR单元。
6.根据权利要求2所述的用于无电容型LDO的补偿电路,其特征在于,所述提供偏置电流的IBIAS单元为BGR单元。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |