CN106873697B - 一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法，该电路由控制电路和调节电路两部分实现，其中，控制电路由A和B两个相同的电路构成，根据反馈信号VFB分别用来产生下冲调节信号ctr1以及过冲控制信号ctr2。ctr1以及ctr2分别控制调节电路中的PMOS管M1和NMOS管M2，通过调节充电和放电电流减小过冲和下冲的恢复时间，进而提高响应速度。本发明公开的LDO快速响应方法所对应的电路规模小，适合小型化电路设计。

Description

一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及快速响应电路，尤其是一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法。
背景技术
在目前IC的发展过程中，高效、节能已经成为人们普遍关注的电子产品指标，这使得许多工程师和科研人员致力于电源管理技术的研究。集成稳压器是常用的电源管理芯片，其中低压差线性稳压器(LDO:Low-Dropout regulator)凭借其压差低、效率高等优点应用最为广泛。然而，随着输出负载电流的突变，比如从100μA到10mA，或者从10mA到100μA，LDO的输出电压也随之出现突变，即：输出电压出现下冲或过冲。较大的过冲或者下冲电压波动往往需要一定的时间才能恢复到稳定值，不仅影响了LDO的瞬态响应，而且还会影响后级电路的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法，其通过额外的反馈控制调节路径对输出负载进行充放电，一方面能够减小过冲和下冲的大小，减小对后级电路的影响，另一方面也使得输出电压恢复速度较快。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种用于低压差线性稳压器的快速响应电路，包括控制电路和过冲及下冲调节电路；所述控制电路包括结构相同的电路A和电路B，所述电路A或电路B均由两个CMOS反相器级联构成；所述过冲及下冲调节电路由PMOS管M1和NMOS管M2构成；PMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别和控制电路的输出信号相连，PMOS管M1和NMOS管M2的漏极均接LDO的输出VOUT，PMOS管M1的源极接LDO的输入电压Vin，NMOS管M2的源极接地；所述PMOS管M1和NMOS管M2的漏极和源极均能够互换；所述PMOS管M1衬底接Vin，NMOS管M2的衬底接地。
进一步，所述电路A或电路B包括PMOS晶体管Mp1、NMOS晶体管Mn1、PMOS晶体管Mp2以及NMOS晶体管Mn2；所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1构成第1级反相器，所述PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2构成第2级反相器；
所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的栅极相连作为反相器的输入；
所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的漏极相连作为反相器的输出；
所述NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的源极均接地；
所述PMOS晶体管Mp1的源极接偏置电压VB，所述PMOS晶体管Mp2的源极接LDO的输入电压Vin，其中VB＜Vin；
所述第1级反相器的输入接LDO中的反馈信号VFB，第2级反相器的输入与第1级反相器的输出相连，第2级反相器的输出为ctr1或ctr2；所述NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的漏极和源极均能够互换；所述PMOS晶体管Mp1或PMOS晶体管Mp2的衬底接Vin，NMOS晶体管Mn1或NMOS晶体管Mn2衬底接地。
进一步，过冲及下冲调节电路的PMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别和控制电路的输出信号ctr1和ctr2相连。
进一步，上述快速响应电路中的所有晶体管均采取同一种制作工艺。
进一步，上述快速响应电路中的PMOS晶体管制作于同一N阱中。
本发明还提出一种上述快速响应电路的快速响应方法如下：
所述控制电路的电路A和电路B的输入均为LDO的反馈信号VFB，电路A输出的ctr1用来调节下冲电压，电路B输出的ctr2用来调节过冲电压；
当负载电流恒定时，控制电路输出ctr1为高电平，ctr2为低电平，PMOS管M1和NMOS管M2均关断；若由于负载电流发生突降引起输出电压出现过冲，控制电路输出ctr2变为高电平，NMOS管M2开启形成额外电流泄放路径，减小过冲电压；若由于负载电流突然增大引起输出电压出现下冲，控制电路输出ctr1变为低电平，PMOS管M1开启形成额外电流充电路径，输出电压的下冲迅速得到恢复。
本发明具有以下有益效果：
本发明用于低压差线性稳压器的快速响应电路及方法的实现电路简单，包括反相器在内，仅需10个MOS晶体管(5个PMOS晶体管和5个NMOS晶体管)即可实现，其通过额外的反馈控制调节路径对输出负载进行充放电，一方面能够减小过冲和下冲的大小，减小对后级电路的影响，另一方面也使得输出电压恢复速度较快。本发明能更好地满足低功耗小型化集成电路发展的需要。
附图说明
图1为本发明公开的LDO快速响应方法实现电路；
图2为图1中模块I控制电路部分的实施例；
图3为本发明公开的LDO快速响应方法示意图；
图4本发明公开方法实现电路的仿真验证结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明再作进一步详细的说明。在此，本发明的实施例及说明仅为对本发明的解释，不作为对本发明的限定。
本发明所涉及的专业术语说明：
LDO：Low-Dropout regulator，低压差线性稳压器；
NMOS：N-channel metal oxide semiconductor FET，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；
PMOS：P-channel metal oxide semiconductor FET，P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；
本发明的实现电路结构及原理
参照图1：示出了本发明LDO快速响应方法的电路实施例，包括控制电路I和过冲及下冲调节电路II。
参照图2：过冲及下冲调节电路II由PMOS管M1和NMOS管M2构成；PMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别和控制电路I的输出信号相连，PMOS管M1和NMOS管M2的漏极均接LDO的输出VOUT，PMOS管M1的源极接LDO的输入电压Vin，NMOS管M2的源极接地；PMOS管M1和NMOS管M2的漏极和源极均能够互换；PMOS管M1衬底接Vin，NMOS管M2的衬底接地。
所述控制电路I包括结构相同的电路A和电路B，电路A或电路B均由两个CMOS反相器级联构成；电路A或电路B包括PMOS晶体管Mp1、NMOS晶体管Mn1、PMOS晶体管Mp2以及NMOS晶体管Mn2；PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1构成第1级反相器，PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2构成第2级反相器。
PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的栅极相连作为反相器的输入。
PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的漏极相连作为反相器的输出。
NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的源极均接地。
PMOS晶体管Mp1的源极接偏置电压VB，所述PMOS晶体管Mp2的源极接LDO的输入电压Vin，其中VB＜Vin。
第1级反相器的输入接LDO中的反馈信号VFB，第2级反相器的输入与第1级反相器的输出相连，第2级反相器的输出为ctr1或ctr2；所述NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的漏极和源极均能够互换；所述PMOS晶体管Mp1或PMOS晶体管Mp2的衬底接Vin，NMOS晶体管Mn1或NMOS晶体管Mn2衬底接地。
参照图1，过冲及下冲调节电路II由PMOS管M1和NMOS管M2构成；PMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别和控制电路的输出信号ctr1和ctr2相连，PMOS管M1和NMOS管M2的漏极均接LDO的输出VOUT，PMOS管M1的源极接LDO的输入电压Vin，NMOS管M2的源极接地；所述PMOS管M1和NMOS管M2两个晶体管的漏极和源极均可互换，PMOS管M1的衬底接Vin，NMOS管M2的衬底接地。
本发明的快速响应电路中，所有PMOS晶体管制作于同一N阱中，且Mn1、Mn2、M1和M2四个晶体管的漏极和源极均可互换。
基于以上用于低压差线性稳压器的快速响应电路，本发明还提出一种用于低压差线性稳压器的快速响应方法如下：
所述控制电路I的电路A和电路B的输入均为LDO的反馈信号VFB，电路A输出的ctr1用来调节下冲电压，电路B输出的ctr2用来调节过冲电压；
参照图3，当负载电流恒定时，ctr1为高电平，ctr2为低电平，M1和M2均关断；若由于负载电流发生突降引起输出电压出现过冲，控制电路输出ctr2变为高电平，NMOS管M2开启形成额外电流泄放路径(Idown)，减小过冲电压；若由于负载电流突然增大引起输出电压出现下冲，控制电路输出ctr1变为低电平，PMOS管M1开启形成额外电流充电路径(Iup)，输出电压的下冲迅速得到恢复。
参照图4，基于65nm CMOS工艺，在2.5V电源电压下，对输出VOUT为1.2V、反馈电压VFB为0.8V的实施例进行了电路仿真，仿真结果与图3中的原理示意图基本一致。
本发明仅需在传统LDO的电路基础上增加10个MOS管即可实现。与传统的LDO电路相比，本发明所公开方法的实施电路通过额外的反馈控制调节路径对输出负载进行充放电，能够减小过冲和下冲的大小，进而减小对后级电路的影响，此外，经调整之后，较小的过冲和下冲也使得输出电压恢复速度较快。
以上所述是本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则范围之内，所作的任何等同替换、润饰和改进等，均应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于低压差线性稳压器的快速响应电路，其特征在于，包括控制电路(I)和过冲及下冲调节电路(II)；所述控制电路(I)包括结构相同的电路A和电路B，所述电路A或电路B均由两个CMOS反相器级联构成；所述过冲及下冲调节电路(II)由PMOS管M1和NMOS管M2构成；PMOS管M1和NMOS管M2的栅极分别和控制电路(I)的输出信号相连，PMOS管M1和NMOS管M2的漏极均接LDO的输出VOUT，PMOS管M1的源极接LDO的输入电压Vin，NMOS管M2的源极接地；所述PMOS管M1和NMOS管M2的漏极和源极均能够互换；所述PMOS管M1衬底接Vin，NMOS管M2的衬底接地。
2.根据权利要求1所述的用于低压差线性稳压器的快速响应电路，其特征在于，所述电路A或电路B包括PMOS晶体管Mp1、NMOS晶体管Mn1、PMOS晶体管Mp2以及NMOS晶体管Mn2；所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1构成第1级反相器，所述PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2构成第2级反相器；
所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的栅极相连作为反相器的输入；
所述PMOS晶体管Mp1和NMOS晶体管Mn1，或者PMOS晶体管Mp2和NMOS晶体管Mn2的漏极相连作为反相器的输出；
所述NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的源极均接地；
所述PMOS晶体管Mp1的源极接偏置电压VB，所述PMOS晶体管Mp2的源极接LDO的输入电压Vin，其中VB＜Vin；
所述第1级反相器的输入接LDO中的反馈信号VFB，第2级反相器的输入与第1级反相器的输出相连，第2级反相器的输出为ctr1或ctr2；所述NMOS晶体管Mn1和NMOS晶体管Mn2的漏极和源极均能够互换；所述PMOS晶体管Mp1或PMOS晶体管Mp2的衬底接Vin，NMOS晶体管Mn1或NMOS晶体管Mn2衬底接地。
3.根据权利要求2所述的用于低压差线性稳压器的快速响应电路，其特征在于，所述过冲及下冲调节电路(II)的PMOS管M1的栅极和控制电路(I)的输出信号ctr1相连，过冲及下冲调节电路(II)的NMOS管M2的栅极和控制电路(I)的输出信号ctr2相连。
4.根据权利要求3所述的用于低压差线性稳压器的快速响应电路，其特征在于，所述快速响应电路中的所有晶体管均采取同一种制作工艺。
5.根据权利要求4所述的用于低压差线性稳压器的快速响应电路，其中，所述快速响应电路中的PMOS晶体管制作于同一N阱中。
6.一种权利要求1-5任意一项所述快速响应电路的快速响应方法，其特征在于，所述控制电路(I)的电路A和电路B的输入均为LDO的反馈信号VFB，电路A输出的ctr1用来调节下冲电压，电路B输出的ctr2用来调节过冲电压；
当负载电流恒定时，控制电路(I)输出ctr1为高电平，ctr2为低电平，PMOS管M1和NMOS管M2均关断；若由于负载电流发生突降引起输出电压出现过冲，控制电路(I)输出ctr2变为高电平，NMOS管M2开启形成额外电流泄放路径，减小过冲电压；若由于负载电流突然增大引起输出电压出现下冲，控制电路(I)输出ctr1变为低电平，PMOS管M1开启形成额外电流充电路径，输出电压的下冲迅速得到恢复。
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