CN108762364A - 一种双输出的低压差线性稳压器 - Google Patents

一种双输出的低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

一种双输出的低压差线性稳压器，属于模拟集成电路技术领域。第一差分放大器的正向输入端连接第一参考电压，其输出端连接第一功率级的输入端；第一功率级的输出端作为低压差线性稳压器的第二输出端并通过第二电阻和第四电阻分压反馈回第二差分放大器的正向输入端；第二差分放大器的负向输入端连接第二参考电压，其输出端连接第二功率级的输入端；第二功率级的输出端作为低压差线性稳压器的第一输出端并通过第一电阻和第三电阻分压反馈回第一差分放大器的负向输入端。本发明的两个输出电压在静态和瞬态时都能匹配且能够保持稳定；通过独立的两个参考电压的调节能够使两个输出电压达到更精确的匹配。

Description

一种双输出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，特别涉及一种低压差线性稳压器电路。
背景技术
低压差线性稳压器是常用的片上电源解决方案，随着集成电路工艺的进步以及片上系统SOC电路规模的增加，稳压器所需驱动的负载电流越来越大。由于在双通道及多通道电路设计中，常常需要多个负载得到匹配的电压，而分布式电源网络寄生电阻会造成远端负载和近端负载所得电压值不一样。
传统单一输出的LDO如图1和图2所示，分别为功率级采用单个NMOS管或单个PMOS管的LDO，这种结构显然无法满足负载对匹配电压的要求。多个LDO分别对负载进行供电也难以做到匹配，并联LDO还会产生稳定性问题和启动风险；而且在实际物理实现中，需要匹配的负载常常拥有不匹配的电源走线，导致负载电压难以做到匹配。
发明内容
针对上述传统LDO难以实现负载匹配的问题，本发明提出了一种双输出的低压差线性稳压器，通过建立单个负反馈环路，在交叉匹配输出模块603的作用下，同时输出两个匹配的输出电压，并可以通过独立调节两个参考电压提高两个输出电压的匹配精度，并且在电源走线不匹配的情况下仍然可以使负载端得到匹配的电源电压。
本发明的技术方案为：
一种双输出的低压差线性稳压器，包括交叉反馈输出模块601、第一差分放大器602、第二差分放大器603、第一功率级604和第二功率级605，
第一差分放大器602的正向输入端连接第一参考电压Vref1，其输出端连接第一功率级604的输入端；第一功率级604的输出端作为所述低压差线性稳压器的第二输出端；
第二差分放大器603的负向输入端连接第二参考电压Vref2，其输出端连接第二功率级605的输入端；第二功率级605的输出端作为所述低压差线性稳压器的第一输出端；
所述交叉反馈输出模块601包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，
第一电阻R1和第三电阻R3串联并接在所述低压差线性稳压器的第一输出端和地之间，其串联点连接第一差分放大器602的负向输入端；
第二电阻R2和第四电阻R4串联并接在所述低压差线性稳压器的第二输出端和地之间，其串联点连接第二差分放大器603的正向输入端；
第一电容C1接在所述低压差线性稳压器的第一输出端和地之间；
第二电容C2接在所述低压差线性稳压器的第二输出端和地之间。
具体的，所述第一差分放大器602和第二差分放大器603结构相同，所述第一差分放大器602包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M8、第一NMOS管M6和第二NMOS管M7，
第四PMOS管M4作为所述第一差分放大器602的正向输入端，其源极连接第五PMOS管M5的源极和第二PMOS管M2的漏极，其漏极连接第二NMOS管M7的栅极、第一NMOS管M6的栅极和漏极；
第五PMOS管M5的栅极作为所述第一差分放大器602的负向输入端，其漏极连接第二NMOS管M7的漏极和第六PMOS管M8的栅极；
第一PMOS管M1的漏极连接偏置电流IBIAS，其栅极连接第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的栅极，其源极连接第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的源极并连接电源电压；
第六PMOS管M8的源极连接第三PMOS管M3的漏极并作为所述第一差分放大器602的输出端，其漏极连接第一NMOS管M6和第二NMOS管M7的源极并接地。
具体的，所述第一功率级604包括第三NMOS管M17，第三NMOS管M17的栅极作为所述第一功率级604的输入端，其源极作为所述第一功率级604的输出端，其漏极连接电源电压；所述第二功率级605包括第四NMOS管M18，第四NMOS管M18的栅极作为所述第二功率级605的输入端，其源极作为所述第二功率级605的输出端，其漏极连接电源电压。
具体的，所述第一功率级604包括第五NMOS管M19，第五NMOS管M19的栅极作为所述第一功率级604的输入端，其源极作为所述第一功率级604的输出端，其漏极连接电源电压；所述第二功率级605包括第七PMOS功率M20，第七PMOS功率M20的栅极作为所述第二功率级605的输入端，其漏极作为所述第二功率级605的输出端，其源极连接电源电压。
具体的，所述第一功率级604包括第八PMOS管M21，第八PMOS管M21的栅极作为所述第一功率级604的输入端，其漏极作为所述第一功率级604的输出端，其源极连接电源电压；所述第二功率级605包括第九PMOS功率M22，第九PMOS功率M22的栅极作为所述第二功率级605的输入端，其漏极作为所述第二功率级605的输出端，其源极连接电源电压。
本发明的有益效果为：本发明只存在一个负反馈结构，使得两个输出电压在静态和瞬态时都能匹配，且两个输出电压能够保持稳定；两个输出电压能够在独立的两个参考电压的作用下实现各自的调节，达到更精确的匹配；另外本发明在应用在不同电源走线时能够消除走线寄生电阻造成的负载端电源电压不匹配的影响；适合应用在负载电源电压需要匹配的环境，也可应用于双电源系统。
附图说明
图1为功率级采用NMOS的传统LDO拓扑结构图。
图2为功率级采用PMOS的传统LDO拓扑结构图。
图3为本发明提出的一种双输出的低压差线性稳压器的整体拓扑结构图。
图4为实施例中提供的一种典型的双端输入单端输出差分放大器电路图。
图5为两个功率级均采用NMOS管的一种交叉匹配双输出的低压差线性稳压器电路原理图。
图6为采用两个功率级分别采用NMOS管和PMOS管的一种交叉匹配双输出的低压差线性稳压器电路原理图。
图7为两个功率级均采用PMOS管的一种交叉匹配双输出的低压差线性稳压器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
与图1和图2所示的传统单一输出的LDO结构不同，本发明提出的一种双输出的低压差线性稳压器，如图3所示，包括交叉反馈输出模块601、第一差分放大器602、第二差分放大器603、第一功率级604和第二功率级605，第一差分放大器602的正向输入端连接第一参考电压Vref1，其输出端连接第一功率级604的输入端；第一功率级604的输出端作为低压差线性稳压器的第二输出端；第二差分放大器603的负向输入端连接第二参考电压Vref2，其输出端连接第二功率级605的输入端；第二功率级605的输出端作为低压差线性稳压器的第一输出端。
交叉反馈输出模块601用于输出两个匹配的电压，在两个功率级的作用下对负载提供稳定的电压和所需电流，如图3所示，交叉反馈输出模块601包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，其中第一电容C1和第二电容C2为负载电容，第一电阻R1和第三电阻R3、第二电阻R2和第二电阻R4分别构成一个反馈网络，第一电阻R1和第三电阻R3为同类型电阻，第二电阻R2和第四电阻R4为同类型电阻，第一电容C1和第二电容R2为同类型电容。第一电阻R1和第三电阻R3串联并接在低压差线性稳压器的第一输出端和地之间，其串联点连接第一差分放大器602的负向输入端；第二电阻R2和第四电阻R4串联并接在低压差线性稳压器的第二输出端和地之间，其串联点连接第二差分放大器603的正向输入端；第一电容C1接在低压差线性稳压器的第一输出端和地之间；第二电容C2接在低压差线性稳压器的第二输出端和地之间。
相对传统单一输出的低压差线性稳压器，本发明有两个相互匹配的输出；相对其他多输出的低压差线性稳压器，本发明仅仅采用单环路设计，即整个电路只有一个由交叉反馈输出模块601、第一差分放大器602、第二差分放大器603、第一功率级604和第二功率级605构成的负反馈环路，在足够的环路增益下，可以保证第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2在反馈环路的作用下保持稳定；由于同在一个反馈环路中，第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2的瞬态响应具有匹配效果；在独立的参考电压微调作用下，两个输出电压具有更加精确的匹配。第一差分放大器602和第二差分放大器603构成负反馈环路的两个增益级，保证足够的环路增益。
一些实施例中第一差分放大器602和第二差分放大器603具有相同的结构，如图4所示给出了第一差分放大器602的电路实现结构，本实施例中第一差分放大器602为双端输入单端输出的差分放大器，包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M8、第一NMOS管M6和第二NMOS管M7，第四PMOS管M4作为第一差分放大器602的正向输入端，其源极连接第五PMOS管M5的源极和第二PMOS管M2的漏极，其漏极连接第二NMOS管M7的栅极、第一NMOS管M6的栅极和漏极；第五PMOS管M5的栅极作为第一差分放大器602的负向输入端，其漏极连接第二NMOS管M7的漏极和第六PMOS管M8的栅极；第一PMOS管M1的漏极连接偏置电流IBIAS，其栅极连接第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的栅极，其源极连接第二PMOS管M2和第三PMOS管M3的源极并连接电源电压；第六PMOS管M8的源极连接第三PMOS管M3的漏极并作为第一差分放大器602的输出端，其漏极连接第一NMOS管M6和第二NMOS管M7的源极并接地。
第一功率级604和第二功率级605分别经低压差线性稳压器的两个输出端对外提供电流，第一功率级604和第二功率级605可以均为NMOS功率管结构，如图5所示；或均为PMOS功率管结构，如图7所示；也可以为NMOS功率管+PMOS功率管结构，如图6所示。下面以图5所示的第一功率级604和第二功率级605均采用NMOS功率管结构的低压差线性稳压器为例详细说明本实施例的工作原理。
如图5所示，本实施例中的第一差分放大器602和第二差分放大器603均采用图4结构的双端输入单端输出的差分放大器，M1-M8构成第一差分放大器602，M9-M16构成第二差分放大器603，其中第一差分放大器602的正向输入端即M4的栅极输入第一参考电压Vref1，低压差线性放大器的第一输出端输出的第一输出电压Vout1经过第一电阻R1和第三电阻R3分压之后输入到第一差分放大器602的负向输入端即M5的栅极，第一差分放大器602中M3和M8的漏极作为第一差分放大器602的输出端连接第一功率级604的输入端，第一功率级604包括第三NMOS管M17，第三NMOS管M17的栅极作为第一功率级604的输入端，其源极作为第一功率级604的输出端输出第二输出电压Vout2，其漏极连接电源电压。
第二差分放大器603的负向输入端即M13的栅极连接第二参考电压Vref2，低压差线性放大器的第二输出端输出的第二输出电压Vout2经过第二电阻R2和第四电阻R4分压之后输入到第二差分放大器603的正向输入端即M12的栅极，第二差分放大器603中M9和M14的漏极作为第二差分放大器603的输出端连接第二功率级605的输入端，第二功率级605包括第四NMOS管M18，第四NMOS管M18的栅极作为第二功率级605的输入端，其源极作为第二功率级605的输出端输出第一输出电压Vout1，其漏极连接电源电压。
本实施例中，第一差分放大器602的增益为Gain1，第二差分放大器603的增益为Gain2，则整个负反馈环路的环路增益为
Gain＝Gain1*Gain2*R3/(R1+R3)*R4/(R2+R4)
合理分配Gain1和Gain2即可使得环路增益满足设计精度的要求。
在图5所示的实例中可以采用基本的miller密勒补偿来保证环路的稳定性，具体实施中可视具体的零极点位置采用对应的频率补偿方式。
本发明在单个负反馈环路中设置两个输出，使得两个输出电压在静态上可以保持匹配，同时在瞬态响应上同样可以做到匹配。
详细地说，第一差分放大器602输入的第一参考电压Vref1可以调节第一输出电压Vout1，第二差分放大器603输入的第二参考电压Vref2可以调节第二输出电压Vout2；在同一个反馈环路控制下，第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2可以很容易在静态达到匹配，能够建立相同的静态电压，而第一参考电压Vref1在进行调节时不会收到第二参考电压Vref2的影响，在独立的参考电压微调作用下，第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2的静态电压可以独立调节，两个输出电压具有更加精确的匹配。
另外，在瞬态响应上，第一输出电压Vout1的变化可以通过第一差分放大器602耦合到第二输出电压Vout2，第二输出电压Vout2的变化可以通过第二差分放大器603耦合到第一输出电压Vout1，所以两个输出电压在瞬态响应上处于同一个环路，仍然具有匹配作用。
同时，本发明在面向负载电源走线不匹配的时候，仍然可以保证两个输出电压的匹配，因为两个输出电压的微调可以消除电源走线不匹配的影响。
此外，从电路结构上说，本发明的结构在物理实现上很容易达到匹配，第一功率级604和第二功率级605可以在版图上做到对称匹配，交叉反馈输出模块601本身也容易做到版图上的共质心匹配，所以本发明在实际实现上也十分容易。
本发明可以应用于面向双电源电压的负载场合，因为第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2可以独立调节。
本发明的各个模块在具体实现上的搭配也十分灵活，如图5至图7分别是功率级的不同组合构成的本发明的交叉匹配双输出的低压差线性稳压器电路原理图，只要满足构建一个负反馈环路的要求，均可建立本发明对应的实际电路。
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 (5)

1.一种双输出的低压差线性稳压器，其特征在于，包括交叉反馈输出模块(601)、第一差分放大器(602)、第二差分放大器(603)、第一功率级(604)和第二功率级(605)，
第一差分放大器(602)的正向输入端连接第一参考电压(Vref1)，其输出端连接第一功率级(604)的输入端；第一功率级(604)的输出端作为所述低压差线性稳压器的第二输出端；
第二差分放大器(603)的负向输入端连接第二参考电压(Vref2)，其输出端连接第二功率级(605)的输入端；第二功率级(605)的输出端作为所述低压差线性稳压器的第一输出端；
所述交叉反馈输出模块(601)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，
第一电阻(R1)和第三电阻(R3)串联并接在所述低压差线性稳压器的第一输出端和地之间，其串联点连接第一差分放大器(602)的负向输入端；
第二电阻(R2)和第四电阻(R4)串联并接在所述低压差线性稳压器的第二输出端和地之间，其串联点连接第二差分放大器(603)的正向输入端；
第一电容(C1)接在所述低压差线性稳压器的第一输出端和地之间；
第二电容(C2)接在所述低压差线性稳压器的第二输出端和地之间。
2.根据权利要求1所述的双输出的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一差分放大器(602)和第二差分放大器(603)结构相同，所述第一差分放大器(602)包括第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)、第四PMOS管(M4)、第五PMOS管(M5)、第六PMOS管(M8)、第一NMOS管(M6)和第二NMOS管(M7)，
第四PMOS管(M4)作为所述第一差分放大器(602)的正向输入端，其源极连接第五PMOS管(M5)的源极和第二PMOS管(M2)的漏极，其漏极连接第二NMOS管(M7)的栅极、第一NMOS管(M6)的栅极和漏极；
第五PMOS管(M5)的栅极作为所述第一差分放大器(602)的负向输入端，其漏极连接第二NMOS管(M7)的漏极和第六PMOS管(M8)的栅极；
第一PMOS管(M1)的漏极连接偏置电流(IBIAS)，其栅极连接第二PMOS管(M2)和第三PMOS管(M3)的栅极，其源极连接第二PMOS管(M2)和第三PMOS管(M3)的源极并连接电源电压；
第六PMOS管(M8)的源极连接第三PMOS管(M3)的漏极并作为所述第一差分放大器(602)的输出端，其漏极连接第一NMOS管(M6)和第二NMOS管(M7)的源极并接地。
3.根据权利要求1所述的双输出的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一功率级(604)包括第三NMOS管(M17)，第三NMOS管(M17)的栅极作为所述第一功率级(604)的输入端，其源极作为所述第一功率级(604)的输出端，其漏极连接电源电压；所述第二功率级(605)包括第四NMOS管(M18)，第四NMOS管(M18)的栅极作为所述第二功率级(605)的输入端，其源极作为所述第二功率级(605)的输出端，其漏极连接电源电压。
4.根据权利要求1所述的双输出的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一功率级(604)包括第五NMOS管(M19)，第五NMOS管(M19)的栅极作为所述第一功率级(604)的输入端，其源极作为所述第一功率级(604)的输出端，其漏极连接电源电压；所述第二功率级(605)包括第七PMOS功率(M20)，第七PMOS功率(M20)的栅极作为所述第二功率级(605)的输入端，其漏极作为所述第二功率级(605)的输出端，其源极连接电源电压。
5.根据权利要求1所述的双输出的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一功率级(604)包括第八PMOS管(M21)，第八PMOS管(M21)的栅极作为所述第一功率级(604)的输入端，其漏极作为所述第一功率级(604)的输出端，其源极连接电源电压；所述第二功率级(605)包括第九PMOS功率(M22)，第九PMOS功率(M22)的栅极作为所述第二功率级(605)的输入端，其漏极作为所述第二功率级(605)的输出端，其源极连接电源电压。
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