CN106444949A

CN106444949A - 一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器

Info

Publication number: CN106444949A
Application number: CN201611165362.1A
Authority: CN
Inventors: 张国俊; 陈远龙
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2017-02-22

Abstract

本发明提出一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，属于电源管理领域。包括：带隙基准电压源、预调整模块、低通滤波器和误差放大器。带隙基准电压源为预调整放大器提供稳定的基准电压；预调整模块包括误差放大器、电阻分压网络，带隙基准电压经预调整模块后调整为要输出的电压；后接低通滤波器以便滤除基准模块和反馈电阻的噪声；经过滤波器后的输出电压输入到误差放大器模块，利用负反馈原理，提供不随输入电源电压和负载变化的输出电压。本发明只需要很小的面积就可以保证低通滤波电路具有很低的转角频率，且不会影响电路的启动时间，使输出电压在短的启动时间内得到超低噪声输出，在很大程度上减小了芯片面积和改善了电路的噪声性能。

Description

一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器。

背景技术

随着便携式电子产品的普及，电源管理系统越来越重要，电源管理部分的好坏很大程度上决定了整个系统的性能。由于低压差线性稳压器LDO(Low Dropout LinearRegulator)与开关电源DC-DC相比具有极低的输出电压噪声、纹波和较高的电源抑制比，能够满足对噪声敏感的射频电路和模拟电路对电源电压的要求，而且在有些系统中，开关电源和LDO的结合，使两者的优势充分发挥，为客户提供高效率且低噪声的供电电源。

在一些高性能的系统中，当使用一个高噪声电源供电时，系统内一些对电源轨质量要求较高的模块如锁相环，模数转换器和压控振荡器等不能达到预期的性能，仅仅少量的噪声也会对系统性能造成很大的影响。由于LDO电路内部产生的噪声会直接转换为负载电路的电源电压噪声，因此，如何尽可能的降低LDO的输出噪声，且不消耗过多的芯片面积、功耗和成本越来越具有深远的意义。

首先介绍LDO的工作原理和噪声源分析：

一个简单的线性稳压器包含一个基本控制环路，其反馈电压与一个基准电压比较，误差电压被放大来控制功率管的导通状态，以提供一个与电源电压、负载和温度无关的输出电压。

传统LDO噪声模型如图1所示，V²n_VREF代表基准的输入参考噪声、V²n_in代表误差放大器的等效输入噪声、V²n_R1、V²n_R2为反馈电阻R1和R2的热噪声。该LDO总的输出噪声为：

因此，我们可以看出，LDO的输出噪声除了基准、误差放大器、采样电阻的内部固有噪声之外，还要包括由环路放大所产生的额外噪声。故要减小总的输出噪声。针对以上原因，减小噪声的常用方案有几种：(1)通过低通滤波器过滤基准的固有噪声，但是在片内实现的低通滤波器常需要大的电阻和电容，来实现低的转角频率，这将会耗费很大的芯片面积，增加成本；(2)减小基准源的噪声，可以通过Vth基准源和Vbe基准源，它们噪声特性好，但是输出参考电压精度差，随工艺和温度和电源噪声影响大；(3)减小反馈电阻R1与R2的比值，同时减小R1和R2的阻值，可以减小电阻热噪声。但是这些方法会极大的增加电路的面积和功耗,或使LDO基准电压源精度不高，导致输出精度低，输出电压值受限制。综上所述，传统的LDO结构并不能得到很低的噪声性能，必须要采用新颖的电路结构来获得性能的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，能够满足低噪声和快速启动的性能，同时不过多增加低压差线性稳压器的面积和功耗。

一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，其特征在于包括以下模块：带隙基准电压源、预调整模块、低通滤波器和误差放大器。带隙基准电压源为预调整放大器提供稳定的基准电压；预调整模块包括误差放大器、电阻分压网络，带隙基准电压经过预调整模块后调整为要输出的电压；后接低通滤波器以便滤除基准模块和反馈电阻的噪声；经过滤波器后的输出电压输入到误差放大器模块，利用负反馈原理，提供不随输入电源电压和负载变化的输出电压，且可根据负载的不同进行多路输出。

本发明专利的创造性在于将带隙基准产生的基准电压经过预调整和低通滤波器，可将带隙基准源和反馈电阻的产生的噪声滤除，从而实现LDO输出的低噪声。但是，为了能够可靠的滤除基准源和采样电阻的高频噪声部分，必须使用超低频的低通滤波器(0.1HZ—1HZ)，例如：可以采用一个100—300PF的电容和一个1—10GOhm的电阻构成，但这将需要很大的芯片面积和成本。在工程生产上难以实现，本发明专利通过有源低通滤波器达到这一目的，且所需的面积和电路功耗大大减小。低通滤波器降低噪声的具体原理如下：

由于衰减系数G_RC(f)的存在，总的输出噪声大大减小。

在上述的低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，所述有源低通滤波器代替传统的RC低通滤波器，采用电流镜结合预放大锁存比较器来实现快速启动的功能，且其得到的低通滤波器具有极低的转角频率(大约0.1HZ左右)，极大的改善了线性稳压器的噪声性能。

因此，本发明专利具有如下的优点：(1)保证了带隙基准电压源的精确度，从而维持了高精度的输出电压，且对反馈电阻值噪声方面没有特殊要求；(2)可以滤除带隙基准电压和反馈电阻的噪声，这也是LDO噪声的主要部分，使总的输出噪声减少；(3)使用有源低通滤波器，避免了传统RC低通滤波器的大面积，从而极大的减小了芯片面积的使用；(4)经过滤波后的基准可以接入后级不同的误差放大器以得到不同的输出电压，可简单的实现多路输出，在系统级芯片很受欢迎；(5)所加入的有源低通滤波器并不会增加LDO输出电压的启动时间。

附图说明

图1为传统LDO结构的噪声模型；

图2为预调整加低通滤波器架构的LDO原理图；

图3为简单的一阶有源低通滤波器原理图；

图4为三级级联的简单的一阶有源低通滤波器原理图；

图5为本发明的快速启动的超低频低通滤波器原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1所示为传统的LDO线性稳压器的噪声模型图，其中主要的噪声源来自于带隙基准源，误差放大器，和反馈电阻。

图2所示为预调整加低通滤波器架构的LDO，包括：预调整模块、低通滤波器和误差放大器。所述预调整模块包括误差放大器、电阻分压网络，带隙基准电压VREF经过预调整模块(EA1、R1和R2组成)后调整为要输出的电压；经过低通滤波器滤除基准模块和反馈电阻的噪声；经过滤除噪声的参考电压VLPF输入到误差放大器EA2的负向输入端，EA2的输出控制功率管的栅极，功率管漏极的输出电压反馈回EA2的正向输入端，与参考电压比较，从而控制功率管的导通状态。

图3所示为简单的一阶有源低通滤波器，P1作为低通滤波器的电阻元件，N1作为MOS电容，P2是二极管连接的PMOS管，其源极接的是未经滤波的基准电压，与P1源极接在一起，P1的栅极连接到P2的栅极，以提供其栅极偏置电压，P1漏极为经过滤波的输出电压，电流源IBIAS为P2提供电流偏置，此种方法为了得到P1合适的沟道电阻，设置大约W2/L2＝100*W1/L1，IBIAS＝1nA,W1,L1和W2，L2为P1，P2的宽度和沟道长度，但是由于P1管子在高温下寄生PNP的漏电流，会导致严重的直流失调，必须要保证P1的W1*L1越小越好，由于极大的电阻和小的电流值，滤波器设计版图时得小心。

图4所示为三级级联的简单的一阶有源低通滤波器，可以增强滤波器的效果，但增加了芯片面积。

图5所示为本发明的快速启动的超低频低通滤波器，所述有源低通滤波器包括：偏置电流源、两个PMOS晶体管、四个NMOS晶体管和一个比较器。偏置电流源Ibias提供偏置电流，晶体管NMOS管N1和N2组成电流镜，P1和P2组成另一组电流镜，P1和P2的源极与未经滤波的基准电压相连，同时连接到比较器COM的负向输入端，正向输入端连接滤波器输出，即P2的漏极，比较器输出控制一开关管N4，N4源端接地，漏端接在N1和N2的栅极端，N3构成MOS电容，其栅极接在滤波器输出，其他三个端口均连接于地端，滤波器的输出接到误差放大器2的反向输出端。

具体原理如下：比较器COM比较基准电压VREF和滤波器输出电压VLPF的电压，当VLPF未达到VREF的值时，比较器COM输出为低电平，N4管不开启，由N1、N2和P1、P2组成的电流镜对MOS电容N3快速充电，从而达到快速启动的作用，使电路不会因为加入滤波电路而影响启动速度。同时，当VLPF达到VREF值时，比较器输出为高，将N1和N2栅极电压拉低，从而N2管只有很小的漏电流，此时P2工作在截止区，相当于一个大电阻(其值可达1GOhm—100GOhm)可以实现较低的转角频率，且不需较大的芯片面积和功耗。比较器采用预放大锁存结构，主要针对其速度和精度进行考虑，这里不做过多介绍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，其特征在于，包括：预调整模块、低通滤波器和误差放大器，所述预调整模块包括误差放大器、电阻分压网络，带隙基准电压经过预调整模块后调整为要输出的电压；所述低通滤波器滤除基准模块和反馈电阻的噪声；所述误差放大器模块，利用负反馈原理，根据不同输入电源电压和负载，调整功率管的导通状态，以维持稳定的输出电压。

2.根据权利要求1所述的低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，其特征在于，所述预调整模块包括：误差放大器1、电阻R1和R2，误差放大器1的正向端接的基准电压VREF，负向端接在电阻反馈网络的电阻R1和R2之间，电阻R2一端接误差放大器1的输出，另一端接电阻R1，电阻R1一端接电阻R2，另一端接地，误差放大器的输出端接有源低通滤波器。

3.根据权利要求2所述的低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，其特征在于，所述有源低通滤波器包括：偏置电流源、两个PMOS晶体管、四个NMOS晶体管和一个比较器，偏置电流源Ibias提供偏置电流，晶体管NMOS管N1和N2组成电流镜，P1和P2组成另一组电流镜，P1和P2的源极与未经滤波的基准电压相连，同时连接到比较器COM的负向输入端，正向输入端连接滤波器输出，即P2的漏极，比较器输出控制一开关管N4，N4源端接地，漏端接在N1和N2的栅极端，N3构成MOS电容，其栅极接在滤波器输出，其他三个端口均连接于地端，滤波器的输出接到误差放大器2的反向输出端。

4.根据权利要求3所述的低噪声，快速启动的低压差线性稳压器，其特征在于，误差放大器(EA2)负向端接经过滤波器后的输出，正向端接到功率管漏端输出，误差放大器输出端接到功率管的栅极。