CN108334149A - 一种低静态电流高psrr低压差线性稳压器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，所述电路包括误差放大器、调整元件、分压电路和频带增强电路；调整元件的漏极连接分压电路的输入端，其栅极连接误差放大器的输出端；分压电路的一输出端连接误差放大器的一输入端；频带增强电路的一端连接调整元件的衬底；频带增强电路形成从电源电压端到输出端的不同于经过调整元件的第一路径的第二路径。本发明在原有低压差线性稳压器中设置一个频带增强电路，通过产生额外的零频率，消除电源电压在某个频率点噪声，来提高该频率附近的PSRR。

Description

一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路。

背景技术

低压差线性稳压器(LDO，Low Dropout Regulator)具有输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小和电纹波小等优点，是电源管理电路中重要组成部分。低压差线性稳压器电路能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感电路提供低输出纹波的电源和比较好电源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio,电源抑制比)，以及较低噪声的性能，因而被广泛应用于手持设备和便携式电子产品中。

随着集成电路的快速发展，芯片工作频率不断提高，低压差线性稳压器电路的PSRR性能也随之降低，电源噪声通过低压差线性稳压器电路影响整个系统的性能，导致系统不能满足在高频工作环境的应用要求。例如图1所示的现有技术的低压差线性稳压器电路，低压差线性稳压器电路具有高增益以确保良好的线路和负载调整性能，因此它能够衰减低频输入电源的噪声。由于低压差线性稳压器电路的带宽有限，且PSRR随着频率提高而降低，因此低压差线性稳压器电路的带宽之外的高频噪声无法通过低压差线性稳压器电路本身进行衰减，导致PSRR不断降低，如图2所示。

因此，提高低压差线性稳压器电路的PSRR特性是目前急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路。

本发明提供了一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，包括：误差放大器、调整元件、分压电路和频带增强电路；所述调整元件中PMOS的漏极连接所述分压电路的输入端，其栅极连接所述误差放大器的输出端，源极连接电源电压；所述分压电路的一输出端连接所述误差放大器的一输入端；所述频带增强电路的一端连接所述调整元件的衬底；所述频带增强电路形成从电源电压端到输出端的不同于经过调整元件的第一路径的第二路径。

优选地，所述频带增强电路包括：电阻Rc、电容器Cc和增益缓冲器；所述电阻Rc和所述电容器Cc的各自一端连接所述调整元件中PMOS的衬底，所述电阻Rc的另一端连接电源电压；所述电容器Cc的另一端连接所述增益缓冲器中PMOS的源级；所述增益缓冲器中PMOS的栅极连接所述调整元件中PMOS的漏极输出端；所述电阻Rc和所述电容器Cc构成频域上的所述额外零点。

优选地，所述额外零点的频率为：

其中，Rc为电阻Rc的电阻，Cc为电容器Cc的电容。

优选地，所述消除电源电压一个频率点的噪声后，所述频率点及其附近频率的PSRR为：

PSRR＝A(s)·(1+sRcCc)；

其中，VOUT为输出电压，VDD为电源电压。

优选地，所述频带增强电路还包括电流源；所述电阻Rc和所述电容器Cc的各自一端连接所述调整元件中PMOS的衬底，所述电阻Rc的另一端连接电源电压和所述电流源的一端；所述电容器Cc的另一端连接所述增益缓冲器中PMOS的源级和所述电流源的另一端；所述增益缓冲器中PMOS的栅极连接调整元件中PMOS的漏极输出端。

优选地，所述分压电路包括电阻R1和电阻R2；所述电阻R1的一端和所述电阻R2的一端连接所述误差放大器的正向输入端，所述电阻R1的另一端连接所述调整元件，所述电阻R2的另一端接地；所述分压电路通过所述电阻R1和所述电阻R2分压，分压的输出电压反馈到所述误差放大器的输入端。

本发明在原有低压差线性稳压器中设置一个频带增强电路，通过产生额外零点，消除电源电压在某个频率点噪声，来提高该频率附近的PSRR。另外通过调节频带增强电路的电阻Rc，来移动陷波频率位置，可以用来抵消某些特定的干扰信号的频率，来提高该频率点及其附近的PSRR，帮助低压差线性稳压器在不同场景中的应用。

附图说明

图1为现有技术中的低压差线性稳压器电路；

图2为现有技术中的低压差线性稳压器电路的PSRR的曲线图；

图3为本发明第一实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路；

图4为本发明第二实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路；

图5为本发明实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路的PSRR曲线图；

图6为本发明第三实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路；

图7为本发明实施例提供的不同电阻Rc对PSRR变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路。如图3所示，本发明提出一种低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，该低压差线性稳压器电路包括：误差放大器10、调整元件20、分压电路30和频带增强电路40。

误差放大器10有三个端口：正向输入端、负向输入端和输出端，正向输入端连接输入电压VREF，负向输入端连接分压电路30提供的电压VFB。

调整元件20可以是功率晶体管或MOS功率晶体管。在一个例子中，调整元件20由PMOS管实现，PMOS的源极耦合到VDD端，栅极连接误差放大器10的输出端，漏极提供VOUT输出。PMOS工作在其线性区域内提供输出电压。

分压电路30耦合在VOUT输出端和地端之间，并且提供一个分压输出信号到误差放大器10的负向输入端。在一个例子中，分压电路30为电阻R1和电阻R2的串联电路，电阻R1和电阻R2之间的串联连接节点提供分压输出信号。

误差放大器10将反馈电压VFB与输入电压VREF相比较，两者的差值经误差放大器10放大后，控制调整元件20的压降，从而稳定输出电压。当输出电压VOUT降低时，反馈电压VFB与输入电压VDD的差值增加，误差放大器10输出的驱动电流增加，调整元件20压降减小，从而使输出电压升高；相反，若输出电压VOUT超过所需要的设定值，误差放大器10输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压VOUT校正连续进行，调整时间只受误差放大器10和调整元件20回路反应速度的限制。由于低压差线性稳压器电路具有高增益以确保良好的线路和负载调整性能，因此它能够衰减低频电源电压的噪声。

本发明在现有低压差线性稳压器中配置一个频带增强电路40，频带增强电路40一端连接在调整元件20中PMOS的衬底，另一端连接电源电压VDD。电源电压VDD通过频带增强电路40后，输入到调整元件20。由此增加经过频带增强电路40到输出端的通路，这个频带增强电路40产生额外零点，可以通过设计零点的频率值，消除电源电压VDD在某个频率点的噪声，来提高该频率点及其附近频率的PSRR。

图4为本发明第二实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路。如图4所示，本发明实施例提供的电路中，频带增强电路40’中包括一个电阻Rc、一个电容器Cc和一个增益缓冲器41。

电阻Rc和电容器Cc的各自一端连接调整元件20中PMOS的衬底，电阻Rc的另一端连接电源电压VDD；电容器Cc的另一端连接增益缓冲器41中PMOS的源级，增益缓冲器41中PMOS的栅极连接调整元件20中PMOS的漏极输出端(即输出电压VOUT),增益缓冲器41中PMOS的漏极接地，其衬底接VDD。

让VDD＝Vac+Vdc，其中Vac是一个小的交流信号，相当于电源电压的波动，Vdc是直流电压。如果Vac＝0时，Vx＝VDD＝Vdc，此时频带增强电路40没有任何影响，其PSRR和传统低压差线性稳压器的情况一样。此时的PSRR为：

如果Vac＝Va·sin(2π·f·t)，这时在输出端VOUT上叠加有两个信号Vy和Vz。其中，信号Vz是经过路径1(notch loop，即从电源电压VDD经调整元件20输出端)产生；信号Vy是通过路径2(即增强环路，从电源电压VDD经RcCc和增益缓冲器41到输出端)产生。其中Vx是Vac的低通滤波后的电压，Va是Vx进行90度相移后的电压，Va通过增益缓冲器41耦合到Vy。

在输出端VOUT上叠加的信号Vy和Vz将在特定频率Fz彼此抵消或部分抵消，该特定频率Fz由下式确定：

根据Fz，可以调整Rc来移动notch频率位置，以提供在该频率处的额外衰减，例如衰减存在于电源电压VDD上的1kHz噪声，由此在该频率附近的PSRR得以提高，这有助于改善低压差线性稳压器在不同应用场景下的性能。

因此，在不改变传统的低压差线性稳压器电路中零极点，通过引入额外零点，来消除电源电压VDD在某个特定频率Fz的噪声来提高该频率点及其附近的PSRR。

假定原来在增加了电源VDD到输出端的第二条通路后，PSRR为：

PSRR＝A(s)·(1+sRcCc) (3)

也就是说，频带增强电路40的电阻Rc和电容器Cc构成频域上的额外零点，可以用于消除该频率及其附近频率的噪声。由于电阻Rc和电容器Cc的乘积RcCc通常比较大，因此增加一个增益缓冲器41，避免电容器Cc直接连到负载上，这样对原来低压差线性稳压器的正常通路的零极点环路没有影响。

当然，由于在不同频率下，调整元件20中PMOS出现背栅效应，当电阻Rc越大时，A(s)会受影响，但是我们感兴趣的是剔除电源电压VDD某些频率点的电源噪声，而不是消除整个频率范围的电源电压VDD噪声(宽带噪声)，所以通过调整RcCc来实现一种单点消除电源电压VDD的噪声。

图5为本发明实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路的PSRR曲线图。如图5所示，线条1为现有技术的低压差线性稳压器在不同频率下的PSRR值，在频率Z＝BW处PSRR值开始变化，高于BW的频率处的PSRR值显著降低；线条2为采用本发明实施例的低压差线性稳压器在不同频率下的PSRR值。在BW和在大于BW的频率点Z'x处PSRR值维持在稳定数值，在大于Z'x的频率处PSRR值才开始变化。

图6为本发明第三实施例提供的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路。如图6所示，不同于前述实施例的地方在于，频带增强电路40”中还包括有电流源42。

电流源42连接在VDD端和增益缓冲器41中PMOS之间，向增益缓冲器41中PMOS的漏极提供恒定电流。

电流源42是为了增益缓冲器41可以独立调整直流工作点以及带宽，由于RcCc只能产生90度相移，通过调整增益缓冲器41的带宽，也可以额外增加一点相移，以达到更好的电源噪声消除效果。

图7为本发明实施例提供的不同电阻Rc对PSRR变化曲线图。如图7所示，在仿真实验中可以看出PSRR可以通过电阻Rc来调节。对于不同的电阻，零点的频率位置在一定范围内变化，显示出在不同频率下不同的抑制效果。

频带增强电路40产生额外零点，将消除或部分消除在特定在某个频率点的噪声，根据公式(2)得到这个额外零点的频率Fz，调整Rc来移动陷波频率位置，可以用来抵消某些特定的干扰信号的频率，来提高该频率点及其附近的PSRR，帮助低压差线性稳压器在不同场景中的应用。比如GSM系统里面217Hz，VDD噪声通常比较大，我们希望低压差线性稳压器提供最大的噪声削减在该频率点附近。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低压差线性稳压器电路，包括误差放大器(10)、调整元件(20)和分压电路(30)；其特征在于，还包括频带增强电路(40)；

所述调整元件(20)中PMOS的漏极连接所述分压电路(30)的输入端，其栅极连接所述误差放大器(10)的输出端，源极连接电源电压；所述分压电路(30)的一输出端连接所述误差放大器(10)的一输入端；所述频带增强电路(40)的一端连接所述调整元件(20)的衬底；所述频带增强电路(40)形成从电源电压端到输出端的不同于经过调整元件的第一路径的第二路径。

2.根据权利要求1所述的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述频带增强电路(40)包括：电阻Rc、电容器Cc和增益缓冲器(41)；

所述电阻Rc和所述电容器Cc的各自一端连接所述调整元件(20)中PMOS的衬底，所述电阻Rc的另一端连接电源电压；所述电容器Cc的另一端连接所述增益缓冲器(41)中PMOS的源级；所述增益缓冲器(41)中PMOS的栅极连接所述调整元件(20)中PMOS的漏极输出端；所述电阻Rc和所述电容器Cc构成频域上的所述额外零点。

3.根据权利要求2所述的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述额外零点的频率为：

其中，Rc为电阻Rc的电阻，Cc为电容器Cc的电容。

4.根据权利要求2所述的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述消除电源电压一个频率点的噪声后，所述频率点及其附近频率的PSRR为：

PSRR＝A(s)·(1+sRcCc)；

其中，VOUT为输出电压，VDD为电源电压。

5.根据权利要求2所述的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述频带增强电路(40)还包括电流源(42)；

所述电阻Rc和所述电容器Cc的各自一端连接所述调整元件(20)中PMOS的衬底，所述电阻Rc的另一端连接电源电压和所述电流源(42)的一端；所述电容器Cc的另一端连接所述增益缓冲器(41)中PMOS的源级和所述电流源(42)的另一端；所述增益缓冲器(41)中PMOS的栅极连接调整元件(20)中PMOS的漏极输出端。

6.根据权利要求1所述的低静态电流高PSRR低压差线性稳压器电路，其特征在于，所述分压电路(30)包括电阻R1和电阻R2；所述电阻R1的一端和所述电阻R2的一端连接所述误差放大器(10)的正向输入端，所述电阻R1的另一端连接所述调整元件(20)，所述电阻R2的另一端接地；

所述分压电路(30)通过所述电阻R1和所述电阻R2分压，分压的输出电压反馈到所述误差放大器(10)的输入端。