CN108803764A - 一种快速瞬态响应的ldo电路 - Google Patents

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Abstract

一种快速瞬态响应的LDO电路，属于电子电路技术领域。包括误差放大器、第一电阻、第二电阻、输出级和翻转电压跟随器，输出级的输入端连接误差放大器的输出端，其输出端作为LDO的输出端；第一电阻和第二电阻串联并接在LDO的输出端和地之间，其串联点连接误差放大器的正向输入端，误差放大器的反相输入端连接基准电压；翻转电压跟随器接在误差放大器的输出端和LDO的输出级之间，采用折叠式共源共栅结构，通过在翻转电压跟随器中插入超级源级跟随器使LDO能够迅速为负载提供大电流；一些实施例中在LDO电路输出端还设置了正向电压检测模块来检测LDO输出电压的过冲，并给出大的下拉电流使输出电压保持稳定。本发明的输出电压稳定且具有较强的带载能力。

Description

一种快速瞬态响应的LDO电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术，具体涉及一种快速瞬态响应的LDO电路。
背景技术
功率电源管理芯片(PMIC)在便携式电子设备，如智能手机、平板电脑或其他数字产品中起着至关重要的作用，在这些片上系统(SOC)应用中需要各种类型的电源管理单元，低压差稳压器(LDO)由于其结构简单、性能优良而被普遍应用。在片上系统SOC中LDO的精度、瞬态响应时间、过冲/下冲、电源抑制比、效率和无片外无组件等方面的性能对整个系统的性能至关重要。
传统的LDO使用μF级别的片外电容来稳定系统，可以减少由于负载瞬变引起的电压纹波，并提高电源抑制比(PSRR)。对于片上系统SOC的全集成无片外电容LDO，输出电容值受到限制，这会导致瞬态响应和PSR性能的显著下降。而数字电路必然要求LDO有良好的负载瞬态响应，因为诸如数字电路中的随机存储器SRAM Bank的数字单元的电流消耗可以在非常短的时间内从接近零到最大，或从最大到零；微处理器的切换活动的突然变化可能导致LDO输出电压急剧抖动，这些高频电源电压瞬变降低了微处理器产品的性能和效率。
发明内容
针对上述传统LDO电路瞬态响应时间长、稳定性差等特点，本发明提出了一种LDO电路，无片外电容，具有超快速的瞬态响应，重载轻载都能稳定输出电压。
本发明的技术方案为：
一种快速瞬态响应的LDO电路，包括误差放大器EA、第一电阻R1、第二电阻R2和输出级，
所述输出级的输入端连接误差放大器EA的输出端，其输出端作为所述LDO电路的输出端；所述输出级包括负载电容CL，负载电容CL接在所述LDO电路的输出端和地之间；
第一电阻R1和第二电阻R2串联并接在所述LDO电路的输出端和地之间，其串联点输出反馈电压VFB并连接误差放大器EA的正向输入端，误差放大器EA的反相输入端连接基准电压Vref；
其特征在于，所述LDO电路还包括翻转电压跟随器，所述翻转电压跟随器包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C0和第一基准电流源IB1，
第一NMOS管MN1的栅极连接第一偏置电压VB1，其源极连接第二PMOS管MP2的漏极，其漏极连接第三PMOS管MP3的栅极并通过第三电阻R3后连接电源电压Vin；
第二NMOS管MN2的栅极连接第三PMOS管MP3的漏极并通过第四电阻R4后接地，其漏极连接第三PMOS管MP3的源极和第一基准电流源IB1的正端并作为所述翻转电压跟随器的输出端，其源极接地；第一基准电流源IB1的负端连接电源电压Vin；
第二PMOS管MP2的栅极连接误差放大器EA的输出端并通过第一电容C0后接地；
所述输出级还包括第一PMOS管MP1、第二基准电流源IB2和第二PMOS管MP2，其中输出级和翻转电压跟随器共用第二PMOS管MP2；
第二PMOS管MP2的栅极作为所述输出级的输入端，其源极连接第一PMOS管MP1的漏极并作为所述输出级的输出端，其漏极通过第二基准电流源IB2后接地；
第一PMOS管MP1的栅极连接所述翻转电压跟随器的输出端，其源极连接电源电压Vin。
具体的，所述LDO电路还包括正向电压检测模块，所述正向电压检测模块包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第二电容CF，
第三NMOS管MN3的栅极连接所述反馈电压VFB并通过第二电容CF后连接所述LDO电路的输出端，其漏极连接第四PMOS管MP4的漏极、第四NMOS管MN4和第五PMOS管MP5的栅极，其源极连接第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的源极并接地；
第四PMOS管MP4的栅极连接第二偏置电压VB2，其源极连接第五PMOS管MP5的源极并连接电源电压Vin；
第五NMOS管MN5的栅极连接第四NMOS管MN4和第五PMOS管MP5的漏极，其漏极连接所述LDO电路的输出端。
具体的，所述误差放大器EA包括第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第十一NMOS管MN11、第十二NMOS管MN12、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9，
第八NMOS管MN8的栅极作为所述误差放大器EA的正向输入端，其漏极连接第七PMOS管MP7的漏极和第九PMOS管MP9的源极，其源极连接第七NMOS管MN7的源极和第六NMOS管MN6的漏极；
第七NMOS管MN7的栅极作为所述误差放大器EA的负向输入端，其漏极连接第六PMOS管MP6的漏极和第八PMOS管MP8的源极；
第六NMOS管MN6的栅极连接第三偏置电压VB3，其源极连接第十一NMOS管MN11和第十二NMOS管MN12的源极并接地；
第六PMOS管MP6的栅极连接第七PMOS管MP7的栅极，其源极连接第七PMOS管MP7的源极并连接电源电压Vin；
第八PMOS管MP8的栅极连接第九PMOS管MP9的栅极，其漏极连接第十NMOS管MN10的漏极、第十一NMOS管MN11和第十二NMOS管MN12的栅极；第十NMOS管MN10的源极连接第十一NMOS管MN11的漏极；
第九NMOS管MN9的栅极连接第十NMOS管MN10的栅极，其漏极连接第九PMOS管MP9的漏极并作为所述误差放大器EA的输出端，其源极连接第十二NMOS管MN12的漏极。
本发明的有益效果为：本发明提出的LDO电路，可以解决轻载到重载的下冲问题和重载到轻载的过冲问题，缩短了瞬态响应时间，具有更快速的响应速度；且负载电流范围大，在没有片外电容的情况下实现了环路稳定。
附图说明
图1是本发明提出的一种超快速瞬态响应的LDO电路结构图。
图2是插入了超级源级跟随器的反转电压跟随器电路结构图。
图3是正向电压检测电路结构图
图4是本LDO电路的一种实施方案。
具体实施方式
下面根据附图和实施例，详细描述本发明的工作原理。
本发明提出的一种快速瞬态响应的LDO电路包括误差放大器EA、第一电阻R1、第二电阻R2、输出级和翻转电压跟随器，如图1所示，输出级的输入端连接误差放大器EA的输出端，其输出端作为LDO电路的输出端；输出级包括负载电容CL，负载电容CL上极板接LDO电路输出端输出的输出电压Vout，下极板接地用于稳定输出电压Vout；Iout为负载电流；第一电阻R1和第二电阻R2串联并接在LDO电路的输出端和地之间，其串联点输出反馈电压VFB并连接误差放大器EA的正向输入端，误差放大器EA的反相输入端连接基准电压Vref。
翻转电压跟随器接在误差放大器EA的输出端和LDO电路的输出级之间，采用折叠式共源共栅cascode结构，通过在翻转电压跟随器中插入超级源级跟随器实现了缓冲阻抗衰减技术，使LDO能够迅速为负载提供大电流。翻转电压跟随器如图2所示，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C0和第一基准电流源IB1，其中第二NMOS管MN2和第三PMOS管MP3构成超级源极跟随器，第一NMOS管MN1的栅极连接第一偏置电压VB1，其源极连接第二PMOS管MP2的漏极，其漏极连接第三PMOS管MP3的栅极并通过第三电阻R3后连接电源电压Vin；第二NMOS管MN2的栅极连接第三PMOS管MP3的漏极并通过第四电阻R4后接地，其漏极连接第三PMOS管MP3的源极和第一基准电流源IB1的正端并作为翻转电压跟随器的输出端，其源极接地；第一基准电流源IB1的负端连接电源电压Vin；第二PMOS管MP2的栅极连接误差放大器EA的输出端并通过第一电容C0后接地，其源极连接LDO电路的输出端。
当LDO负载电流Iout突然变大，输出电压Vout会下掉，第二PMOS管MP2会立即将输出电压Vout采样，并将采样的电压传输到第一NMOS管MN1的源级；电压从第一NMOS管MN1源级输入，漏极输出，第一NMOS管MN1形成共栅极单管放大器，提高了环路增益。
第三电阻R3和第一NMOS管MN1构成的这一级的输出阻抗为：
ro1＝R3×rds_MN1/(R3+rds_MN1)
可见输出阻抗较大，这将导致输出极点位于较低频率，可能会导致频率不稳定。由于本发明中的翻转电压跟随器加入了由第二NMOS管MN2和第三PMOS管MP3构成的超级源极跟随器，将输出极点推至较高频率。源级跟随器具有很低的输出阻抗：
ro2＝1/gmMP3(gmMN2×rds_MP3)
其中gmMP3和gmMN2表示第三PMOS管MP3和第二NMOS管MN2的跨导，rds_MN1和rds_MP3表示第一NMOS管MN1和第三PMOS管MP3的输出电阻，即小信号时源漏之间的等效电阻。
低输出阻抗可以将第一PMOS管MP1栅极的极点推至单位增益带宽之外，保持环路稳定。
当输出电压Vout下降，第一NMOS管MN1漏极电压下降，使第三PMOS管MP3的漏极电压升高；第二NMOS管MN2在正常工作状态时偏置在亚阈值区，当第三PMOS管MP3的漏极即第二NMOS管MN2的栅极电压升高时，第二NMOS管MN2导通，流过大电流将第一PMOS管MP1的栅极拉低，使输出电压Vout上升。从而解决了负载电流从轻载到重载变化，使输出电压下冲的问题。
如图2所示给出了输出级的一种实现电路形式，包括第一PMOS管MP1、第二基准电流源IB2和第二PMOS管MP2，本实施例中输出级和翻转电压跟随器共用第二PMOS管MP2；第二PMOS管MP2的栅极作为输出级的输入端，其源极连接第一PMOS管MP1的漏极并作为输出级的输出端，其漏极通过第二基准电流源IB2后接地；第一PMOS管MP1的栅极连接翻转电压跟随器的输出端，其源极连接电源电压Vin。
输出级还可以为只有一个PMOS的情况，此时输出级只有第一PMOS管MP1，没有第二PMOS管MP2和第二基准电流源IB2，第一PMOS管MP1的栅极作为输出级的输入端连接翻转电压跟随器的输出端和误差放大器EA的输出端，其漏极作为LDO电路的输出端，其源极连接电源电压Vin；此时翻转电压跟随器不包括第二PMOS管MP2，第一NMOS管MN1的源极连接LDO电路的输出端。
一些实施例中通过在LDO电路输出端增加一个正向电压检测模块来检测LDO输出电压Vout的过冲，并给出大的下拉电流使输出电压Vout保持稳定。如图3所示，正向电压检测模块包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5和第二电容CF，第三NMOS管MN3的栅极连接反馈电压VFB并通过第二电容CF后连接LDO电路的输出端，其漏极连接第四PMOS管MP4的漏极、第四NMOS管MN4和第五PMOS管MP5的栅极，其源极连接第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的源极并接地；第四PMOS管MP4的栅极连接第二偏置电压VB2，其源极连接第五PMOS管MP5的源极并连接电源电压Vin；第五NMOS管MN5的栅极连接第四NMOS管MN4和第五PMOS管MP5的漏极，其漏极连接LDO电路的输出端。
因为第一基准电流源IB1电流有限，当负载电路由重载向轻载变化时第一PMOS管MP1的栅端电压不能立刻升高，会导致过充电压。本实施例中正向电压检测电路作用为：当输出电压Vout过冲时反馈电压VFB升高，第三NMOS管MN3漏极降低，第五NMOS管MN5的栅极升高，第五NMOS管MN5导通后将输出电压Vout下拉，解决了输出电压Vout过冲的问题。
如图4所示给出了误差放大器的一种电路实现结构，本实施例中误差放大器EA为折叠式cascode结构，结构简单性能好，增益高。如图4所示，误差放大器EA包括第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第十一NMOS管MN11、第十二NMOS管MN12、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9，第八NMOS管MN8的栅极作为误差放大器EA的正向输入端，其漏极连接第七PMOS管MP7的漏极和第九PMOS管MP9的源极，其源极连接第七NMOS管MN7的源极和第六NMOS管MN6的漏极；第七NMOS管MN7的栅极作为误差放大器EA的负向输入端，其漏极连接第六PMOS管MP6的漏极和第八PMOS管MP8的源极；第六NMOS管MN6的栅极连接第三偏置电压VB3，其源极连接第十一NMOS管MN11和第十二NMOS管MN12的源极并接地；第六PMOS管MP6的栅极连接第七PMOS管MP7的栅极，其源极连接第七PMOS管MP7的源极并连接电源电压Vin；第八PMOS管MP8的栅极连接第九PMOS管MP9的栅极，其漏极连接第十NMOS管MN10的漏极、第十一NMOS管MN11和第十二NMOS管MN12的栅极；第十NMOS管MN10的源极连接第十一NMOS管MN11的漏极；第九NMOS管MN9的栅极连接第十NMOS管MN10的栅极，其漏极连接第九PMOS管MP9的漏极并作为误差放大器EA的输出端，其源极连接第十二NMOS管MN12的漏极。
综上，本发明提出的一种超快速瞬态响应的LDO电路，通过在LDO电路的输出级之前加入折叠式cascode结构的翻转电压跟随器(FVF)，并在翻转电压跟随器中插入超级源级跟随器实现了缓冲阻抗衰减技术，使LDO能够迅速为负载提供大电流。一些实施例中通过正向瞬态检测电路检测LDO输出电压Vout的过冲，之后给出大的下拉电流使输出电压保持稳定。本发明提出的LDO反应速度快，无论是负载电流从重载到轻载还是从轻载到重载都能快速响应；且负载电流变化范围大；不需要片外电容，输出稳定，节省了电路面积和成本。
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)

1.一种快速瞬态响应的LDO电路，包括误差放大器(EA)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和输出级，
所述输出级的输入端连接误差放大器(EA)的输出端，其输出端作为所述LDO电路的输出端；所述输出级包括负载电容(CL)，负载电容(CL)接在所述LDO电路的输出端和地之间；
第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联并接在所述LDO电路的输出端和地之间，其串联点输出反馈电压(VFB)并连接误差放大器(EA)的正向输入端，误差放大器(EA)的反相输入端连接基准电压(Vref)；
其特征在于，所述LDO电路还包括翻转电压跟随器，所述翻转电压跟随器包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C0)和第一基准电流源(IB1)，
第一NMOS管(MN1)的栅极连接第一偏置电压(VB1)，其源极连接第二PMOS管(MP2)的漏极，其漏极连接第三PMOS管(MP3)的栅极并通过第三电阻(R3)后连接电源电压(Vin)；
第二NMOS管(MN2)的栅极连接第三PMOS管(MP3)的漏极并通过第四电阻(R4)后接地，其漏极连接第三PMOS管(MP3)的源极和第一基准电流源(IB1)的正端并作为所述翻转电压跟随器的输出端，其源极接地；第一基准电流源(IB1)的负端连接电源电压(Vin)；
第二PMOS管(MP2)的栅极连接误差放大器(EA)的输出端并通过第一电容(C0)后接地；
所述输出级还包括第一PMOS管(MP1)、第二基准电流源(IB2)和第二PMOS管(MP2)，其中输出级和翻转电压跟随器共用第二PMOS管(MP2)；
第二PMOS管(MP2)的栅极作为所述输出级的输入端，其源极连接第一PMOS管(MP1)的漏极并作为所述输出级的输出端，其漏极通过第二基准电流源(IB2)后接地；
第一PMOS管(MP1)的栅极连接所述翻转电压跟随器的输出端，其源极连接电源电压(Vin)。
2.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述LDO电路还包括正向电压检测模块，所述正向电压检测模块包括第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)和第二电容(CF)，
第三NMOS管(MN3)的栅极连接所述反馈电压(VFB)并通过第二电容(CF)后连接所述LDO电路的输出端，其漏极连接第四PMOS管(MP4)的漏极、第四NMOS管(MN4)和第五PMOS管(MP5)的栅极，其源极连接第四NMOS管(MN4)和第五NMOS管(MN5)的源极并接地；
第四PMOS管(MP4)的栅极连接第二偏置电压(VB2)，其源极连接第五PMOS管(MP5)的源极并连接电源电压(Vin)；
第五NMOS管(MN5)的栅极连接第四NMOS管(MN4)和第五PMOS管(MP5)的漏极，其漏极连接所述LDO电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的快速瞬态响应的LDO电路，其特征在于，所述误差放大器(EA)包括第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN10)、第十一NMOS管(MN11)、第十二NMOS管(MN12)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)和第九PMOS管(MP9)，
第八NMOS管(MN8)的栅极作为所述误差放大器(EA)的正向输入端，其漏极连接第七PMOS管(MP7)的漏极和第九PMOS管(MP9)的源极，其源极连接第七NMOS管(MN7)的源极和第六NMOS管(MN6)的漏极；
第七NMOS管(MN7)的栅极作为所述误差放大器(EA)的负向输入端，其漏极连接第六PMOS管(MP6)的漏极和第八PMOS管(MP8)的源极；
第六NMOS管(MN6)的栅极连接第三偏置电压(VB3)，其源极连接第十一NMOS管(MN11)和第十二NMOS管(MN12)的源极并接地；
第六PMOS管(MP6)的栅极连接第七PMOS管(MP7)的栅极，其源极连接第七PMOS管(MP7)的源极并连接电源电压(Vin)；
第八PMOS管(MP8)的栅极连接第九PMOS管(MP9)的栅极，其漏极连接第十NMOS管(MN10)的漏极、第十一NMOS管(MN11)和第十二NMOS管(MN12)的栅极；第十NMOS管(MN10)的源极连接第十一NMOS管(MN11)的漏极；
第九NMOS管(MN9)的栅极连接第十NMOS管(MN10)的栅极，其漏极连接第九PMOS管(MP9)的漏极并作为所述误差放大器(EA)的输出端，其源极连接第十二NMOS管(MN12)的漏极。
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