CN106774580B - 一种快速瞬态响应高电源抑制比的ldo电路 - Google Patents

一种快速瞬态响应高电源抑制比的ldo电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其包括用于电压调制的主电路模块，主电路模块包括功率管MP，其设计要点在于：功率管MP栅极端连接有能快速瞬态响应电压电流变化的抵消电路，抵消电路包括电容、电流镜和电流放大器；多个电容将LDO电路输出端的电压变化转变为正向电流变化信号和反向电流变化信号，电流镜将上述反向电流变化信号转变为正向电流变化信号，正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管MP栅极驱动电流。本发明的目的在于采用复用电路的方法同时实现一种快速瞬态响应、高电源抑制比的LDO电路，降低了电路的复杂度，同时也减少了面积和功耗。

Description

一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路
技术领域
本发明属于低压差线性稳压器(LDO)领域，具体涉及一种实现快速瞬态响应和高电源抑制比的电路。
背景技术
LDO(low dropout regulator)是一种低压差线性稳压器，LDO电路是集成电路路中重要的电源提供模块，传统LDO需要在输出端外接大电容负载来满足环路稳定性和其它方面的要求，但是这种方法无法在片上集成大电容。为了减少片外电容的应用，进而提出输出端不需要外接电容的无电容型LDO。和传统LDO性能相比，无电容型LDO在瞬态特性和电源抑制特性上都存在较大缺陷。因此需要设计电路提高其瞬态特性和电源抑制特性。
目前，已有的瞬态特性提高技术有推挽输出技术、动态电流技术和输出电压检测技术。这些技术都需要设计特定的结构才能实现，也需要较高的功耗要求，并且都只能单方面提高瞬态响应。已有的电源抑制特性提高的技术有环路增益提高技术、复制噪声电流技术，这些技术都需要设计复杂的补偿电路，这会增大电路的面积和功耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于采用复用电路的方法同时实现一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，降低了电路的复杂度，同时也减少了面积和功耗。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其包括用于电压调制的主电路模块(1)，主电路模块(1)包括功率管(MP)，所述功率管(MP)栅极端连接有能快速瞬态响应电压电流变化的抵消电路，抵消电路包括电容、电流镜和电流放大器；所述电容有多个，多个电容将LDO电路输出端(Vout)上冲和/或下冲电压信号分别转变为正向电流变化信号和反向电流变化信号，上冲或下冲引起的反向电流变化信号经电流镜转变为正向电流变化信号，正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流。
进一步地，所述抵消电路包括四个电容、两个电流镜和电流放大器；四个电容分别为第一电容CC1、第二电容CC2、第三电容CC3和第四电容CC4；两个电流镜分别为第一电流镜和第二电流镜；
所述第一电容CC1将LDO电路输出端Vout的电压下冲变化转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管MP栅极驱动电流；
第二电容CC2将LDO电路输出端Vout的电压下冲变化转变为反向电流变化信号，第一电流镜将上述反向电流变化信号转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管MP栅极驱动电流；
所述第三电容CC3将LDO电路输出端Vout的电压上冲变化转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管MP栅极驱动电流；
第四电容CC4将LDO电路输出端Vout的电压上冲变化转变为反向电流变化信号，第二电流镜将该反向电流变化信号转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管MP栅极驱动电流。
进一步地，抵消电路还包括有两个恒定电流源Ib，其中一个恒定电流源一端接地，该恒定电流源另一端分别与第二电容CC2、第一电流镜连接组成一电流补偿电路；另一个恒定电流源一端接电源电压VDD，该另一个恒定电流源另一端分别与第四电容CC4、第二电流镜连接组成另一电流补偿电路。
进一步地，所述电流放大器有两个，分别为第一电流放大器和第二电流放大器；
所述第一电流放大器包括第一电阻和两个场效应管组成，两个场效应管分别为第一场效应管和第二场效应管，所述第一电容转变的正向电流变化信号为第一场效应管提供栅极驱动电流，第一电阻一端与第一场效应管栅极连接，第一电阻另一端分别与第一场效应管漏极和第二场效应管栅极连接，第二场效应管栅极与第一场效应管漏极连接，第一电阻用于将正向电流变化信号转变为电压变化信号并通过第二场效应管将上述电压变化信号转化为所述功率管MP栅极驱动电流；
所述第二电流放大器包括第二电阻和两个场效应管组成，两个场效应管分别为第三场效应管和第四场效应管，所述第三电容转变的正向电流变化信号为第三场效应管提供栅极驱动电流，第二电阻一端与第三场效应管栅极连接，第二电阻另一端分别与第三场效应管漏极和第四场效应管栅极连接，第四场效应管栅极与第三场效应管漏极连接，第二电阻用于将正向电流变化信号转变为电压变化信号并通过第四场效应管将上述电压变化信号转化为所述功率管MP栅极驱动电流。
进一步地，所述第一场效应管栅极连接电源抑制比提高电路，电源抑制比提高电路包括第五电容Cvdd，第五电容Cvdd一端与电源VDD连接，第五电容Cvdd另一端与所述第一场效应管栅极连接；
为平衡所述功率管(MP)栅源之间的电压vgs，使得vgs＝0，第五电容Cvdd的电容为Cvdd，功率管(MP)的栅源电容Cgs、源漏电阻rds满足如下要求：
A＝gMN2R1CC1 (2)
其中，CP为功率管(MP)栅端寄生电容，gm为功率管MP的跨导，A为电流放大器放大器倍数。
本发明的有益效果：本发明电路可以将提高LDO瞬态响应和电源抑制特性的电路相复用，减少了电路的面积和功耗，同时也能有效的提高瞬态响应特性和电源抑制特性。
附图说明
图1是本发明LDO电路中各个模块的电路连接示意图；
图2是本发明LDO电路中各个模块的电路工作原理分析图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图1和附图2来对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但本发明实施方式不限于此。
如图1所示，一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，包括包括主电路模块1、一与主电路模块相连接的下冲抵消电路2、一与主电路模块相连接的上冲抵消电路3、一与下冲抵消电路相连接的电源抑制比提高电路4。
主电路模块1包括误差放大器EA、NMOS或PMOS功率管MP、电阻分压网络Ra和Rb。PMOS功率管MP源端(NMOS功率管MP漏端)连接电源VDD；PMOS功率管MP漏端(NMOS功率管MP源端)连接输出Vout；电阻Ra第一端连接至Rb第一端；电阻Ra第二端连接LDO电路输出Vout；电阻Rb第二端连接地GND；误差放大器的输入第一端为基准Vref，第二端为Ra第一端；误差放大器的输出连接功率管MP的栅端。
下冲抵消电路2包括NMOS管MN1和MN2、PMOS管MP1和MP2、第一电容CC1和第二电容CC2、电阻R1和恒定电流源Ib。本实施例子中，电阻R1为第一电阻，NMOS管MN1和NMOS管MN2分别为第一场效应管和第二场效应管。MN1的栅端连接电阻R1第一端；MN1的漏端连接电阻R1第二端；MN1的源端连接地GND；所述的MN2的栅端连接MN1的漏端；所述的MN2的漏端连接功率管MP栅极；MN2的源端连接地GND；MP1、MP2的源端连接电源VDD；MP2的漏端连接MN1的漏端；MP2的栅端连接MP1的栅端；MP1的漏端连接恒定电流源Ib第一端；恒定电流源Ib第二端连接地GND；第一电容CC1第一端连接MN1的栅端；所述第二电容CC2第一端连接MP1的漏端；所述第一电容CC1和第二电容CC2的第二端连接LDO电路输出端Vout；
上冲抵消电路3包括NMOS管MN3和MN4、PMOS管MP3和MP4、第三电容CC3和第四电容CC4、电阻R2和恒定电流源Ib。本发明实施例子中，电阻R2为第二电阻，NMOS管MN3和NMOS管MN4分别为第三场效应管和第四场效应管。MP3的栅端连接电阻R2第一端；MP3的漏端连接电阻R2第二端；MP3的源端连接电源VDD；MP4的栅端连接MP3的漏端；MP4的漏端连接功率管MP栅极；MP4的源端连接电源VDD；MN3、MN4的源端连接地GND；MN4的漏端连接MP3的漏端；MN4的栅端连接MN3的栅端；MN3的漏端连接恒定电流源Ib第一端；所述恒定电流源Ib第二端连接电源VDD；第三电容CC3第一端连接MP3的栅端；第四电容CC4第一端连接MN3的漏端；第三电容CC3和第四电容CC4的第二端连接LDO电路输出端Vout；
电源抑制比提高电路4为第五电容Cvdd，第五电容Cvdd的第一端连接电源VDD，第五电容Cvdd的第二端连接MN1的栅端。
如图2所示电路工作分析图，本发明电路可以将提高LDO瞬态响应和电源抑制特性的电路相复用，同时也能有效的提高瞬态响应特性和电源抑制特性。
本发明工作原理为：多个电容将LDO电路输出端(Vout)上冲和/或下冲电压信号分别转变为正向电流变化信号和反向电流变化信号，上冲或下冲引起的反向电流变化信号经电流镜转变为正向电流变化信号，正向电流变化信号经电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流。
工作时，电源电压VDD通过主电路模块1反馈环路调制输出。主电路模块1用来实现基本的电压调制模块。
当电源电压VDD的电流瞬时增大时，功率管MP不能瞬时提供电流，LDO电路输出端Vout输出电压降低，第一电容CC1检测LDO电路输出端Vout变化，转化为电流i1，电阻R1将电流转化为电压Vx，MN2将Vx转化为功率管MP栅极驱动电流，即电阻R1、MN1、MN2组成第一电流放大器，第一电流放大倍数为gMN2R1CC1，其中gMN2为MN2管的跨导。
为了有效增大MN2管电流，需要提高Vx电压，第二电容CC2、MP1、MP2和恒定电流源Ib组成补偿电路，第二电容CC2检测LDO电路输出端Vout变化，转化为电流i2，MP1、MP2组成第一电流镜，MN1漏极电流为Ib+i2，这部分电流不仅提高Vx电压，同时也可以补偿第一电容CC1引起的电流i1。当电流瞬时降低时，功率管MP不能瞬时释放电流，LDO电路输出端Vout输出电压升高，与上述原理相反。此时，上冲抵消电路3作为主抵消电路，如下所述，下冲抵消电路2作为上冲抵消电路3的附属补偿。
上冲抵消电路3包括NMOS管MN3和MN4、PMOS管MP3和MP4、第三电容CC3和第四电容CC4、电阻R2和恒定电流源Ib。当电流瞬时减小时，功率管MP不能瞬时释放电流，Vout输出电压升高，第三电容CC3检测LDO电路输出端Vout变化，转化为电流i3，电阻R2将电流转化为电压Vy，MP4将Vy转化为功率管MP栅极驱动电流，即R2、MP3、MP4组成第二电流放大器。电流放大倍数为gMP4R2CC3，其中gMP4为MP4管的跨导。
为了有效增大MP4管电流，需要降低Vy电压，第四电容CC4、MN3、MN4和恒定电流源Ib组成补偿电路，第四电容CC4检测LDO电路输出端Vout变化，转化为电流i4，MN3、MN4组成电流镜，MP3漏极电流为Ib+i4，这部分电流不仅降低Vy电压，同时也可以补偿第三电容CC3引起的电流i3。当电流瞬时升高时，功率管MP不能瞬时提供电流，Vout输出电压降低，与上述原理相反。此时，下冲抵消电路2作为主抵消电路，如上所述，上冲抵消电路3作为下冲抵消电路2的附属补偿。
本发明中，为了降低电路复杂度和减少面积功耗，第一电流放大器和第二电流放大器的设计可复用下冲抵消电路2中NMOS管MN1、MN2和电阻R1。
电源抑制比提高电路4包括第五电容Cvdd。LDO电路中高频电源抑制特性取决于功率管MP的栅源电容Cgs和源漏电阻rds，误差放大器在高频处的影响可以忽略不计，为了在高频情况下降低电源噪声对输出电压的影响，需要平衡功率管MP栅源之间的电压，即通过设计vgs＝0，来使得电源噪声影响最低。那么可以得到式(1)，(2)：
A＝gMN2R1CC1 (2)
其中，CP为功率管MP栅端的寄生电容，gm为功率管MP的跨导，A为复用下冲抵消电路2中NMOS管MN1、MN2和电阻R1时第一电流放大器放大器倍数，第一电流放大倍数为gMN2R1CC1。

Claims (4)

1.一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其包括用于电压调制的主电路模块(1)，主电路模块(1)包括功率管(MP)，其特征在于：所述功率管(MP)栅极端连接有能快速瞬态响应电压电流变化的抵消电路，抵消电路包括电容、电流镜和电流放大器；
所述抵消电路包括电容、电流镜和电流放大器；
电容四个，四个电容分别为第一电容(CC1)、第二电容(CC2)、第三电容(CC3)和第四电容(CC4)；
电流镜两个，两个电流镜分别为第一电流镜和第二电流镜；
所述第一电容(CC1)将LDO电路输出端(Vout)的电压下冲变化转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经所述电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流；
第二电容(CC2)将LDO电路输出端(Vout)的电压下冲变化转变为反向电流变化信号，第一电流镜将上述反向电流变化信号转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经所述电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流；
所述第三电容(CC3)将LDO电路输出端(Vout)的电压上冲变化转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经所述电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流；
第四电容(CC4)将LDO电路输出端(Vout)的电压上冲变化转变为反向电流变化信号，第二电流镜将该反向电流变化信号转变为正向电流变化信号，该正向电流变化信号经所述电流放大器转化为功率管(MP)栅极驱动电流。
2.根据权利要求1所述的一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其特征在于：所述抵消电路还包括有两个恒定电流源(Ib)，其中一个恒定电流源一端接地，该恒定电流源另一端分别与第二电容(CC2)、第一电流镜连接组成一电流补偿电路；另一个恒定电流源一端接电源电压(VDD)，该另一个恒定电流源另一端分别与第四电容(CC4)、第二电流镜连接组成另一电流补偿电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其特征在于：所述电流放大器有两个，分别为第一电流放大器和第二电流放大器；
第一电流放大器包括第一电阻和两个场效应管组成，两个场效应管分别为第一场效应管和第二场效应管，所述第一电容转变的正向电流变化信号为第一场效应管提供栅极驱动电流，第一电阻一端与第一场效应管栅极连接，第一电阻另一端分别与第一场效应管漏极和第二场效应管栅极连接，第二场效应管栅极与第一场效应管漏极连接，第一电阻用于将正向电流变化信号转变为电压变化信号并通过第二场效应管将上述电压变化信号转化为所述功率管(MP)栅极驱动电流，第一场效应管和第二场效应管源端连接地(GND)；
所述第二电流放大器包括第二电阻和两个场效应管组成，两个场效应管分别为第三场效应管和第四场效应管，所述第三电容转变的正向电流变化信号为第三场效应管提供栅极驱动电流，第二电阻一端与第三场效应管栅极连接，第二电阻另一端分别与第三场效应管漏极和第四场效应管栅极连接，第四场效应管栅极与第三场效应管漏极连接，第二电阻用于将正向电流变化信号转变为电压变化信号并通过第四场效应管将上述电压变化信号转化为所述功率管(MP)栅极驱动电流，第三场效应管和第四场效应管源端连接电源(VDD)。
4.根据权利要求3所述的一种快速瞬态响应高电源抑制比的LDO电路，其特征在于：所述第一场效应管栅极连接电源抑制比提高电路(4)，电源抑制比提高电路(4)包括第五电容(Cvdd)，第五电容(Cvdd)一端与电源(VDD)连接，第五电容(Cvdd)另一端与所述第一场效应管栅极连接；
为平衡所述功率管(MP)栅源之间的电压vgs，使得vgs＝0，第五电容(Cvdd)的电容为Cvdd，功率管(MP)的栅源电容Cgs、源漏电阻rds满足如下要求：
A＝gMN2R1CC1 (2)
其中，CP为功率管(MP)栅端寄生电容，gm为功率管MP的跨导，A为电流放大器放大器倍数，gMN2为第二场效应管的跨导，R1为第一电阻的阻值，CC1为第一电容(CC1)的电容量。
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