CN106886243A - 一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器 - Google Patents

一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器，属于模拟集成电路技术领域。本发明中开关功率管M5为NMOS管，使功率管的输出电阻减小，可提高负载突变时的响应速度；第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2的串联点连接误差放大器gm的负向输入端作为外环结构，开关功率管M5的源极连接运算放大器的负向输入端作为内环结构，同时采用双环结构，由于内环路的存在，可以在不加入弥勒电容的情况下，将系统的主极点定在误差放大器gm的输出端；而且内环路可以迅速对输出电压的变化做出反应，调节开关功率管M5的栅极电压，调节输出电流来保持输出电压的稳定。本发明尤其适用于要求负载变化调整速度快的低压差线性稳压器。

Description

一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器作为现代电源管理芯片的主要组成部分，其特点在于工作过程中没有开关动作，噪声比较低且整个单元设计简单，元件数目少，整个芯片面积小便于集成。
图1是一种具有双环结构的LDO的结构示意图。其中的功率开关器件通常由PMOS管实现，这是由于使用PMOS管作为开关管，输入电压VIN仅需要比输出电压VO高出一个饱和漏源电压或夹断时漏源电压VSD(sat)就可以维持所需要的输出电流IO，所以特别适用于低压差、高效率的设计要求。PMOS管的驱动能力较弱，版图占用较大面积，输出电阻一般较大，对突变的负载做出的响应较慢。并且该结构需要弥勒电容进行环路补偿，这就又加大了芯片的版图面积。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述传统电路存在的问题，提出一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器，为加快响应速度采用NMOS管作为调整管，同时采用双环结构，不要弥勒电容就可以很好的进行环路补偿。
本发明的技术方案是，
一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器，包括误差放大器gm，运算放大器、开关功率管M5、第一反馈电阻RFB1、第二反馈电阻RFB2、负载电阻RL和电容CO，
所述误差放大器gm的正向输入端输入基准电压VREF，其输出端连接运算放大器的正向输入端，所述开关功率管M5的栅极连接运算放大器的输出端，其漏极连接输入电压VIN，第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2串联，其串联点连接误差放大器gm的负向输入端，第一反馈电阻RFB1的另一端接开关功率管M5的源极并作为所述具有快速响应特性的低压差线性稳压器的输出端，第二反馈电阻RFB2的另一端接地，所述负载电阻RL和电容CO的并联结构连接在开关功率管M5的源极和地之间；
所述开关功率管M5为NMOS管，开关功率管M5的源极连接运算放大器的负向输入端。
具体的，所述运算放大器包括第一三极管Q1、第一PMOS管M6、第二PMOS管M7、第四NMOS管M4和第一电阻R1，
第一三极管Q1的基极作为所述运算放大器的正向输入端，第四NMOS管M4的源极作为所述运算放大器的负向输入端，其栅极作为所述运算放大器的输出端，
第一PMOS管M6的栅漏短接并连接第二PMOS管M7的栅极和第一三极管Q1的集电极，第一PMOS管M6和第二PMOS管M7的源极接输入电压VIN，第一三极管Q1的发射极通过第一电阻R1后接第四NMOS管M4的源极，第四NMOS管M4的栅漏短接并连接第二PMOS管M7的漏极。
具体的，所述具有快速响应特性的低压差线性稳压器还包括电流源I、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第二三极管Q2、第二电阻R2、第三电阻R3和齐纳管Z1，
第一NMOS管M1的栅漏短接并连接电流源和第二NMOS管M2的栅极，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极接地，
第二三极管Q2的基极接固定电平VB1，其集电极接第二NMOS管M2的漏极，其发射极接第三NMOS管M3的栅极并通过第三电阻R3后接所述开关功率管M5的栅极；
第三NMOS管M3的漏极连接所述运算放大器的正向输入端，其源极通过第二电阻R2后连接开关功率管M5的源极；
齐纳管Z1的阳极连接所述开关功率管M5的源极，其阴极连接所述开关功率管M5的栅极。
本发明的有益效果为：采用NMOS管即开关功率管M5作为功率开关器件，使功率管的输出电阻减小，可提高负载突变时的响应速度；同时采用双环结构，由于内环路的存在，可以在不加入弥勒电容的情况下，将系统的主极点定在误差放大器的输出端；而且内环路可以迅速对输出电压的变化做出反应，调节功率管的栅极电压，调节输出电流来保持输出电压的稳定；本发明尤其适用于要求负载变化调整速度快的低压差线性稳压器。
附图说明
图1为一种PMOS做调整管的双环LDO的结构示意图；
图2为本发明提供的具有快速响应特性的低压差线性稳压器LDO的结构示意图；
图3为本发明实施例的电路结构图；
图4为节点A之后的简化电路；
图5为内环改善带宽示意图；
图6环路零极点设置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
如图2所示为本发明提供的低压差线性稳压器的双环等效框图，包括误差放大器gm，运算放大器、开关功率管M5、第一反馈电阻RFB1、第二反馈电阻RFB2、负载电阻RL和电容CO，误差放大器gm的正向输入端输入基准电压VREF，其输出端连接运算放大器的正向输入端，开关功率管M5的栅极连接运算放大器的输出端，其漏极连接输入电压VIN，第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2串联，其串联点连接误差放大器gm的负向输入端，第一反馈电阻RFB1的另一端接开关功率管M5的源极并作为所述具有快速响应特性的低压差线性稳压器的输出端，第二反馈电阻RFB2的另一端接地，负载电阻RL和电容CO的并联结构连接在开关功率管M5的源极和地之间。开关功率管M5为NMOS管，使功率管的输出电阻减小，可提高负载突变时的响应速度。第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2的串联点连接误差放大器gm的负向输入端作为外环结构，开关功率管M5的源极连接运算放大器的负向输入端作为内环结构。
如图3所示为本实施例中提供的一种具体电路图，图2中的运算放大器包括第一三极管Q1、第一PMOS管M6、第二PMOS管M7、第四NMOS管M4和第一电阻R1，第一三极管Q1的基极作为所述运算放大器的正向输入端，第四NMOS管M4的源极作为所述运算放大器的负向输入端，其栅极作为所述运算放大器的输出端，第一PMOS管M6的栅漏短接并连接第二PMOS管M7的栅极和第一三极管Q1的集电极，第一PMOS管M6和第二PMOS管M7的源极接输入电压VIN，第一三极管Q1的发射极通过第一电阻R1后接第四NMOS管M4的源极，第四NMOS管M4的栅漏短接并连接第二PMOS管M7的漏极。本实施例提供的电路结构还包括电流源I、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第二三极管Q2、第二电阻R2、第三电阻R3和齐纳管Z1，第一NMOS管M1的栅漏短接并连接电流源和第二NMOS管M2的栅极，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极接地，第二三极管Q2的基极接固定电平VB1，其集电极接第二NMOS管M2的漏极，其发射极接第三NMOS管M3的栅极并通过第三电阻R3后接所述开关功率管M5的栅极；第三NMOS管M3的漏极连接所述运算放大器的正向输入端，其源极通过第二电阻R2后连接开关功率管M5的源极；齐纳管Z1的阳极连接所述开关功率管M5的源极，其阴极连接所述开关功率管M5的栅极。误差放大器的输出端表示节点A，开关功率管M5的栅极表示节点B，其源极表示节点C。
本实施例的工作原理为：
如图2所示，其中gm表示误差放大器，AIN表示从输出反馈到内环的电压增益。结合图3所示本发明的实施例电路结构图，有：
其中gm,Q1、gm4、gm6、gm7分别为第一三极管Q1、第四NMOS管M4、第一PMOS管M6和第二PMOS管M7的跨导。从误差放大器的输出电压VA到该低压差线性稳压器的输出电压VO的传递函数可以表示为：
可以从图5中看到，由于内环增益AIN的作用，单位增益带宽GBW变宽了。
下面进行稳定性考虑。对节点A的阻抗进行分析，如图4所示为节点A之后的简化电路。在节点A加入电压激励vx，测试该处流入的电流，于是得到节点A看进去的阻抗为：
其中gm5为开关功率管M5的跨导，β为第一三极管Q1的基极电流放大倍数，rπ是第一三极管Q1的输入电阻，k为第一PMOS管M6到第二PMOS管M7的电流放大倍数，表示电容Co的阻抗，s＝jω。可以看到，由于内环的存在，将输出节点的电容Co按一定比例折回来了；还可以发现从A点看进去的等效电阻也与负载RL有关，从而改变电压反馈环路的增益。
很容易得到各极点。在A点处，主极点为：
其中，RA、CA为A点的等效电阻和等效电容，且
在B点处
其中，RB、CB为B点的等效电阻和等效电容，CB＝∑i Ci≈CG5，CG5为开关功率管M5的栅电容。
在C点处
其中，RC、CC为C点的等效电阻和等效电容，CC＝CO。
考虑到在A点处的电阻和电容的数量级是最大的，所以A点作为主极点；有C点处的电容CO＞＞CG5，所以C点处的极点是第一次极点，B点处的极点为第二次极点。把PA设为主极点，要保证稳定，比较容易的一个措施就是增大第四NMOS管M4的跨导gm4，不仅可以降低主极点，同时也可以把C点处的次极点推高。系统环路零极点分布情况如图6所示。这就说明了此LDO可以在不加入弥勒电容的情况下，根据公式(4)、公式(5)和公式(6)选择合理的参数，使两个次极点的频率均大于穿越频率fc，确保系统稳定。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有快速响应特性的低压差线性稳压器，包括误差放大器(gm)，运算放大器、开关功率管(M5)、第一反馈电阻(RFB1)、第二反馈电阻(RFB2)、负载电阻(RL)和电容(CO)，
所述误差放大器(gm)的正向输入端输入基准电压(VREF)，其输出端连接运算放大器的正向输入端，所述开关功率管(M5)的栅极连接运算放大器的输出端，其漏极连接输入电压(VIN)，第一反馈电阻(RFB1)和第二反馈电阻(RFB2)串联，其串联点连接误差放大器(gm)的负向输入端，第一反馈电阻(RFB1)的另一端接开关功率管(M5)的源极并作为所述具有快速响应特性的低压差线性稳压器的输出端，第二反馈电阻(RFB2)的另一端接地，所述负载电阻(RL)和电容(CO)的并联结构连接在开关功率管(M5)的源极和地之间；
其特征在于，所述开关功率管(M5)为NMOS管，开关功率管(M5)的源极连接运算放大器的负向输入端。
2.根据权利要求1所述的具有快速响应特性的低压差线性稳压器，其特征在于，所述运算放大器包括第一三极管(Q1)、第一PMOS管(M6)、第二PMOS管(M7)、第四NMOS管(M4)和第一电阻(R1)，
第一三极管(Q1)的基极作为所述运算放大器的正向输入端，第四NMOS管(M4)的源极作为所述运算放大器的负向输入端，其栅极作为所述运算放大器的输出端，
第一PMOS管(M6)的栅漏短接并连接第二PMOS管(M7)的栅极和第一三极管(Q1)的集电极，第一PMOS管(M6)和第二PMOS管(M7)的源极接输入电压(VIN)，第一三极管(Q1)的发射极通过第一电阻(R1)后接第四NMOS管(M4)的源极，第四NMOS管(M4)的栅漏短接并连接第二PMOS管(M7)的漏极。
3.根据权利要求2所述的具有快速响应特性的低压差线性稳压器，其特征在于，所述具有快速响应特性的低压差线性稳压器还包括电流源(I)、第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第二三极管(Q2)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和齐纳管(Z1)，
第一NMOS管(M1)的栅漏短接并连接电流源和第二NMOS管(M2)的栅极，第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的源极接地，
第二三极管(Q2)的基极接固定电平(VB1)，其集电极接第二NMOS管(M2)的漏极，其发射极接第三NMOS管(M3)的栅极并通过第三电阻(R3)后接所述开关功率管(M5)的栅极；
第三NMOS管(M3)的漏极连接所述运算放大器的正向输入端，其源极通过第二电阻(R2)后连接开关功率管(M5)的源极；
齐纳管(Z1)的阳极连接所述开关功率管(M5)的源极，其阴极连接所述开关功率管(M5)的栅极。
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