CN107291144A - 一种具有瞬态增强结构单元的无片外电容ldo电路 - Google Patents

Abstract

一种具有瞬态增强结构的无片外电容LDO电路，其包括误差放大器、单输入放大器、输出级单元和瞬态增强结构单元，输出级单元具有一个功率MOS晶体管M1、依次串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻，瞬态增强结构单元的输入端与无片外电容的LDO电路输出端相连，瞬态增强结构单元的两个输出端分别与功率MOS晶体管M1的栅极和单输入放大器的偏置输入端相连；其中，误差放大器用于将该无片外电容LDO电路输出端的反馈电压信号与参考电压信号做比较，并将比较后的误差结果由单输入放大器放大输出，瞬态增强结构通过对该无片外电容LDO电路输出电压进行检测，并根据该无片外电容LDO电路输出电压的变化调整功率MOS晶体管M1的电压，从而使得该无片外电容LDO电路输出电压快速恢复。

Description

一种具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及CMOS模拟集成电路设计领域，具体地，涉及一种具有瞬态增强结构单元的无片外电容的低压差线性稳压器(low dropoutregulator，简称LDO)电路设计。

背景技术

随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)集成电路工艺的发展，电子产品在日常生活中的应用越来越广泛，其成为各个领域不可缺少的一部分。而CMOS集成电路芯片的日益小型化的发展目标决定了低功耗、高集成度成了CMOS集成电路发展的重要方向。

LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)在CMOS集成电路尤其是低功耗电路设计中应用广泛。而普通的LDO在重载情况下会使得误差放大器的输出极点和主极点相距太近，从而容易导致电路不稳定。通常情况下的解决方案是需要外接片外电容，然而，这种设计使得芯片面积较大，导致电路集成度降低。因此，目前无片外电容LDO(Cap-lessLDO)的设计成了国内外研究的热点。

本领域技术人员清楚，为了保证在不同负载情况下的电路稳定性，现有的Cap-less LDO通常会增加额外的电路结构。例如：

零极点跟踪补偿结构通过产生与输出电流相关的零点来补偿极点实现电路稳定，但这种结构产生零点所需的电容面积较大，而且补偿精度不够。

微分分离主极点结构和DFC(Damping Factor Control，阻尼系数控制)结构的静态功耗太大而且在空载时容易不稳定。

推挽级放大器结构通过推挽级比较参考电压和反馈电压迅速恢复输出电压，但电路功耗较大。

瞬态增强电路是通过对输出电压进行检测，将输出电压的变化通过电流迅速反馈到电路中，快速改变功率管电流，从而使得输出电压很快恢复稳定。但现有的瞬态增强电路一组电流镜电路只能实现对LDO输出电压的增大或减小中一种情况的检测调节，实现两种情况的调节则需要两组电流镜结构，芯片面积较大，功耗较大。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术缺陷，本专利提供一种具有瞬态增强结构的LDO电路。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其包括：

误差放大器，其具有正向输入端、反向输入端和一个输出端，所述正向输入端与参考电压信号相连；

单输入放大器，具有输入端、输出端和偏置输入端，其输入端与所述误差放大器的输出端相连；

输出级单元，其包括一个功率MOS晶体管M1、依次串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻；其中，所述功率MOS晶体管M1的栅极与所述单输入放大器的输出端相连，所述功率MOS晶体管M1的漏极和第一反馈电阻的一端相连，连接点是所述无片外电容LDO电路的输出端；所述第一反馈电阻的另一端、所述第二反馈电阻的一端与所述误差放大器的反向输入端连接在一起，所述第二反馈电阻的另一端与地相连；以及

瞬态增强结构单元，其输入端与所述无片外电容的LDO电路相连，所述瞬态增强结构单元的两个输出端分别与所述功率MOS晶体管M1的栅极和所述单输入放大器的偏置输入端相连。

进一步地，所述的瞬态增强结构单元包括一个输出变化检测模块和一个电流镜电路模块；其中，所述输出检测单元模块的一端与所述的无片外电容的LDO电路的输出端相连，另一端与电流镜电路模块相连；所述电流镜电路模块包括一个电压输出端和一个电流输出端；所述电流镜电路模块的电压输出端与单输入放大器的偏置输入端相连；所述电流输出端与功率MOS晶体管M1的栅极相连；当无片外电容LDO电路输出电压变化时，所述瞬态增强结构单元的电压输出端通过调节单输入放大器的支路电流，间接调节所述的功率MOS晶体管M1管的栅极电压，所述瞬态增强结构单元的电流输出端电流直接调节所述功率MOS晶体管M1的栅极电压，使所述无片外电容的LDO电路的输出电压恢复到稳定值。

进一步地，所述的输出变化检测模块包括由一个电容C和一个电阻R；所述电容C的一端与所述LDO电路的输出端相连，所述电容C的另一端与所述电阻R和所述无片外电容电流镜电路模块相连，所述电阻R的另一端与VBP相连。

进一步地，所述电流镜电路模块包括功率MOS晶体管M4、功率MOS晶体管M5和功率MOS晶体管M6；其中，所述功率MOS晶体管M4的栅极为所述电流镜电路模块的输入端。

进一步地，所述单输入放大器包括功率MOS晶体管M2和功率MOS晶体管M3，所述功率MOS晶体管M3为偏置MOS晶体管。

进一步地，所述的功率MOS晶体管为功率PMOS晶体管或功率NMOS晶体管。

进一步地，所述的误差放大器为单级放大结构或多级放大结构，所述的单输入放大器为单级放大结构或者多级放大结构。

进一步地，所述的第一反馈电阻和第二反馈电阻为两个单独的电阻，或所述的第一反馈电阻和第二反馈电阻分别由多个电阻组成。

从上述技术方案可以看出，本发明所采用的技术方案瞬态增强电路是通过对输出电压进行检测，将输出电压的变化通过电流迅速反馈到电路中，快速改变功率管电流，从而使得输出电压很快恢复稳定。尤其是，本发明的瞬态增强电路结构简单，其可以采用一组电流镜电路加上一组RC电路就能实现对LDO电路输出电压的增大或减小的情况进行检测调节，即实现两种情况的调节只需要一组电流镜结构，在缩小芯片面积同时，降低了功耗。

附图说明

图1所示为本发明无片外电容的LDO电路原理示意图

图2所示为本发明无片外电容的LDO电路一较佳实施例的示意图

具体实施方式

下面结合附图1和2，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，图1所示为本发明无片外电容的低压差线性稳压器原理电路示意图。如图所示，无片外电容的LDO电路，其包括误差放大器EA、单输入放大器A、输出级单元1和一个瞬态增强结构单元SRE。

在本发明的实施例中，误差放大器EA具有正向输入端、反向输入端和一个输出端，该正向输入端与参考电压信号相连。具体地，即误差放大器EA的正向输入端所接的参考电压信号是外部输入的参考电压信号VREF，误差放大器EA的反向输入端输入反馈电压信号VFB。外部输入的参考电压信号VREF和无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT的反馈电压信号VFB进入误差放大器EA，通常参考电压信号VREF保持不变。

需要说明的是，误差放大器EA可以为单级放大结构或多级放大结构，即误差放大器EA可以为任意结构类型的双输入单输出放大器。

单输入放大器A具有输入端、输出端和偏置输入端，其输入端与误差放大器EA的输出端相连，单输入放大器A对误差放大器输出的误差信号进行再次放大。在本发明的一个较佳实施例中，单输入放大器A可以为包括一个偏置MOS晶体管的放大电路。

如图所示，输出级单元1包括一个功率MOS晶体管M1、依次串联的第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2；其中，功率MOS晶体管M1的栅极VG与单输入放大器A的输出端相连，功率MOS晶体管M1的漏极和第一反馈电阻R1的一端相连，连接点是该无片外电容的LDO电路的输出端VOUT；第一反馈电阻R1的另一端、第二反馈电阻R2的一端与误差放大器的反向输入端连接在一起，第二反馈电阻R2的另一端与地相连。

在本发明的实施例中，输出级单元1包括的功率MOS晶体管M1可以为功率PMOS晶体管或功率NMOS晶体管，反馈电压信号VFB和无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT始终满足以下关系：

其中：第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2为固定阻值的电阻，则无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT和VFB保持正向线性关系。在本发明的实施例之中，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2可以为两个单独的电阻，或第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2可以分别由两组多个电阻组成，即第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2确保无片外电容的LDO电路的输出信号与反馈电压信号的具有线性关系。

瞬态增强结构单元SRE的输入端与无片外电容的LDO电路相连，瞬态增强结构单元SRE的两个输出端分别与功率MOS晶体管M1的栅极和单输入放大器A中的偏置输入端相连。

在误差放大器EA直流工作情况下，反馈电压信号VFB被误差放大器EA的参考电压信号VREF钳制，VFB＝VREF，即反馈电压信号VFB的大小与参考电压信号VREF大小相等；其中，参考电压信号VREF为外部输入的稳定参考电压信号。

若无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT变化，则反馈电压信号VFB发生变化，误差放大器EA的输出信号受反馈电压信号VFB大小变化而发生改变。误差放大器EA的变化输出信号经过单输入放大器A放大达到输出级1的功率MOS晶体管M1的栅极VG，最终引起输出电压信号VOUT变化。

请参阅图2，图2所示为本发明无片外电容的LDO电路一较佳实施例的示意图。如图所示，外部输入的参考电压信号VREF与误差放大器EA的正向输入端相连，反馈电压信号VFB与误差放大器EA的反向输入端相连，误差放大器EA的输出信号为V1。

在本发明的实施例中，单输入放大器A由功率MOS晶体管M2和功率MOS晶体管M3组成，功率MOS晶体管M3为单输入放大器A提供偏置电流，偏置电压为VB，功率MOS晶体管M2为输入管，输出信号为VG。

输出级单元1包括一个功率MOS晶体管M1、依次串联的第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2为反馈电阻，反馈电压信号VFB和无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT的比值关系。

在本实施例中，瞬态增强电路单元SRE可以包括一个输出变化检测模块和一个电流镜电路模块。其中，输出变化检测模块一端与LDO电路的输出端相连，另一端与电流镜电路模块相连。电流镜电路模块包括两个输出端，即一个电压输出端，一个电流输出端。需要说明的是，根据需要，电流镜电路模块也可以为多个电流镜，但一定会和输出变化检测模块配合使用。

如图2所示，电流镜电路模块的电压输出端与单输入放大器A的偏置电压相连，其电流输出端与功率MOS管栅极相连。输出检测单元检测LDO电路的输出端的变化，并将该输出端的变化输入电流镜电路模块，电流镜电路模块将输出端的电压变化信号转化为电流信号并放大，同时电流镜电路模块的输出电压和输出电流都会发生变化。电流镜电路模块的输出电压变化导致单输入放大器A的电流变化，改变功率MOS管M1的栅极电压；电流镜电路模块的输出电流变化也会引起功率MOS管M1栅极电压的变化，两种方式同时作用，快速改变功率MOS管M1漏极的电压，最终使LDO电路的输出信号迅速恢复到稳定值。

进一步地，瞬态增强结构单元SRE可以由一个电容C、一个电阻R和三个功率MOS晶体管(功率MOS晶体管M4、功率MOS晶体管M5和功率MOS晶体管M6)组成。

其中，电阻R和电容C构成无片外电容的LDO电路的输出信号VOUT的变化检测结构(即输出检测单元)。电容C的一端与LDO电路的输出端相连，电容C的另一端与电阻R和电流镜电路模块相连，电阻R的另一端与VBP相连。

瞬态增强结构单元SRE中的输出检测单元通过对LDO电路的输出信号VOUT进行检测，根据LDO电路的输出信号VOUT的变化调整功率MOS管M1电压，从而使得LDO电路的输出信号VOUT快速恢复。

在本发明的实施例中，该一组电流镜电路模块包括功率MOS晶体管M4、功率MOS晶体管M5和功率MOS晶体管M6；其中，功率MOS晶体管M4的栅极为电流镜电路模块的输入端。

在直流情况下，由于电容C的隔直特性，功率MOS晶体管M4的偏置电压由外部输入到功率MOS晶体管M4栅极的偏置电压V2＝VBP确定。当LDO电路的输出信号VOUT发生变化，LDO电路的输出信号VOUT经过电容C达到功率MOS晶体管M4的栅极，在电阻R很大的情况下，功率MOS晶体管M4的偏置电压V2＝VOUT，此时流过功率MOS晶体管M4的电流发生变化，即流过功率MOS晶体管M5的电流发生变化。

一方面，功率MOS晶体管M4的漏极电压即VB发生变化，导致流过功率MOS晶体管M3的电流发生变化，则单输入放大器A的跨导发生变化，从而导致输出发生变化即VG发生变化。

另一方面，由于电流镜作用，流过功率MOS晶体管M6的电流也发生变化，导致功率MOS晶体管M6的漏极即VG发生变化。

上述两个方面的VG的共同作用，导致流过功率MOS晶体管M4的电流变化，最终使功率MOS晶体管M4的漏极电压即LDO电路的输出信号VOUT发生相应变化。

具体来说，当外界负载突然变大，LDO电路的输出信号VOUT减小，此时V2减小，流过功率MOS晶体管M4的电流增大，功率MOS晶体管M4的漏极即VB增大。一方面，功率MOS晶体管M3的电流会增大，导致VG减小；另一方面，流过功率MOS晶体管M4的电流增大，则流过功率MOS晶体管M5的电流增大，由于电流镜电路模块的作用，流过功率MOS晶体管M6的电流增大，则功率MOS晶体管M6的漏极电压即VG进一步减小。在两个方面共同作用下，VG减小，流过功率MOS晶体管M1的电流增大，LDO电路的输出信号VOUT增大，逐渐恢复到稳定值。

当外界负载突然变小，LDO电路的输出信号VOUT增大，此时V2增大，导致流过功率MOS晶体管M4的电流突然减小甚至功率MOS晶体管M4关断，则功率MOS晶体管M5的漏极即VB减小，则流过功率MOS晶体管M3和功率MOS晶体管M6的电流减小甚至关断，此种情况下VG在功率MOS晶体管M2作用下增大，流过功率MOS晶体管M1的电流减小甚至关断，LDO电路的输出信号VOUT减小，并逐渐恢复到稳定值。

综上所述，本发明的实施例中的技术方案，其通过对LDO电路输出电压进行检测，并根据LDO电路输出电压的变化调整功率MOS晶体管M1的电压，从而使得LDO电路输出电压快速恢复。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述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 (8)

1.一种具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，包括：

误差放大器，其具有正向输入端、反向输入端和一个输出端，所述正向输入端与参考电压信号相连；

单输入放大器，具有输入端、输出端和偏置输入端，其输入端与所述误差放大器的输出端相连；

输出级单元，其包括一个功率MOS晶体管M1、依次串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻；其中，所述功率MOS晶体管M1的栅极与所述单输入放大器的输出端相连，所述功率MOS晶体管M1的漏极和第一反馈电阻的一端相连，连接点是所述无片外电容LDO电路的输出端；所述第一反馈电阻的另一端、所述第二反馈电阻的一端与所述误差放大器的反向输入端连接在一起，所述第二反馈电阻的另一端与地相连；以及

瞬态增强结构单元，其输入端与所述无片外电容的LDO电路相连，所述瞬态增强结构单元的两个输出端分别与所述功率MOS晶体管M1的栅极和所述单输入放大器的偏置输入端相连。

2.根据权利要求1所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述的瞬态增强结构单元包括一个输出变化检测模块和一个电流镜电路模块；其中，所述输出检测单元模块的一端与所述的无片外电容的LDO电路的输出端相连，另一端与电流镜电路模块相连；所述电流镜电路模块包括一个电压输出端和一个电流输出端；所述电流镜电路模块的电压输出端与单输入放大器的偏置输入端相连；所述电流输出端与功率MOS晶体管M1的栅极相连；当无片外电容LDO电路输出电压变化时，所述瞬态增强结构单元的电压输出端通过调节单输入放大器的支路电流，间接调节所述的功率MOS晶体管M1管的栅极电压，所述瞬态增强结构单元的电流输出端电流直接调节所述功率MOS晶体管M1的栅极电压，使所述无片外电容的LDO电路的输出电压恢复到稳定值。

3.根据权利要求2所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述的输出变化检测模块包括由一个电容C和一个电阻R；所述电容C的一端与所述LDO电路的输出端相连，所述电容C的另一端与所述电阻R和所述电流镜电路模块相连，所述电阻R的另一端与VBP相连。

4.根据权利要求2所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述电流镜电路模块包括功率MOS晶体管M4、功率MOS晶体管M5和功率MOS晶体管M6；其中，所述功率MOS晶体管M4的栅极为所述电流镜电路模块的输入端。

5.根据权利要求1所述的无片外电容的LDO电路，其特征在于，所述单输入放大器包括功率MOS晶体管M2和功率MOS晶体管M3，所述功率MOS晶体管M3为偏置MOS晶体管。

6.根据权利要求1-5任意一个所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述的功率MOS晶体管为功率PMOS晶体管或功率NMOS晶体管。

7.根据权利要求1-5任意一个所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述的误差放大器为单级放大结构或多级放大结构，所述的单输入放大器为单级放大结构或者多级放大结构。

8.根据权利要求1-5任意一个所述的具有瞬态增强结构单元的无片外电容LDO电路，其特征在于，所述的第一反馈电阻和第二反馈电阻为两个单独的电阻，或所述的第一反馈电阻和第二反馈电阻分别由多个电阻组成。