CN109062309B - 一种低压差线性电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种低压差线性电压调节器，包括误差放大器，误差放大器的输出通过缓冲器接电压调节晶体管，所述误差放大器为共源共栅结构的差分输入单端输出放大器，以误差放大器输入管栅源电压的差值ΔV_GS作为低压差线性电压调节器的参考电压，ΔV_GS加到反馈电阻网络上，经过反馈电阻网络的放大后与三极管的基极‑发射极电压叠加在一起，组成低压差线性电压调节器的输出电压。本发明自带参考电压并且输出电压可以调节，可以通过电路参数的设计在一定的范围内对输出电压进行配置。另外本发明设计了专门的下冲补偿电路，提高了输出负载切换时输出电压的瞬态响应能力。

Description

一种低压差线性电压调节器

技术领域

本发明属于微电子与固体电子技术领域，涉及电源管理电路设计，特别涉及一种低功耗的低压差线性电压调节器(LDO)。

背景技术

在无线传感网络中，无线传感节点对目标环境的信息进行采集、处理并将数据无线发送至通信网关，最终数据由网关传递到服务器。无线传感节点一般由电池供电，在实际的系统中，首先使用DC-DC转换器将电池电压转换到稍高于传感节点工作电压的数值，然后使用LDO电路得到传感节点的实际工作电压。在工作过程中，传感节点大部分时间处于休眠状态，在需要工作时由休眠唤醒电路对其进行开启。休眠唤醒电路一直处于上电工作状态，相应的负责给休眠唤醒电路供电的LDO电路需要持续工作。因此降低LDO电路的功耗，对提高无线传感节点的电池续航能力非常重要。

根据实现原理的不同，LDO电路可以分为数字型结构和模拟型结构。数字型LDO由于电源抑制比差、输出纹波高等缺点，通常用于数字电路供电，并不适用于模拟和射频电路中。常见的模拟型LDO结构如图1所示，一般由误差放大器、缓冲器、电压调节晶体管、反馈电阻网络等几部分组成。当LDO的输出负载发生变化时，输出电压也会发生改变。反馈电阻网络采集LDO的输出电压，并反馈到误差放大器的输入端，与外部输入的参考电压进行比较，误差放大器的输出通过缓冲器接到电压调节晶体管的栅极，通过调节电压调节晶体管的栅极电压使LDO的输出达到稳态。

目前大部分的LDO电路需要外接一个参考电压，增大了芯片的功耗和成本。在文献：Balachandran,G.K.,Barnett,R.E.,“A 110nA Voltage Regulator System WithDynamic Bandwidth Boosting for RFID Systems”,IEEE Journal of Solid-StateCircuits,Vol.41,No.9,pp.2019-2028,Sept.2006.中，提出了一种自带参考电压的LDO电路，但是它的输出电压只能维持在1.2V附近，限制了其应用范围。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低压差线性电压调节器，自带参考电压并且输出电压可以调节，与上述文献的设计相比，本发明可以通过电路参数的设计在一定的范围内对输出电压进行配置。另外本发明设计了专门的下冲补偿电路，提高了输出负载切换时输出电压的瞬态响应能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低压差线性电压调节器，包括误差放大器，误差放大器的输出通过缓冲器接电压调节晶体管，其特征在于，所述误差放大器为共源共栅结构的差分输入单端输出放大器，以误差放大器输入管栅源电压的差值ΔV_GS作为低压差线性电压调节器的参考电压，ΔV_GS加到反馈电阻网络上，经过反馈电阻网络的放大后与三极管的基极-发射极电压叠加在一起，组成低压差线性电压调节器的输出电压。

所述误差放大器的输入管偏置在近阈值电压区，即亚阈值区和强反型区之间。

所述误差放大器输入管栅源电压的差值ΔV_GS表示为

ΔV_GS≈α·ΔV_{GS_ST}+β·ΔV_{GS_SI}

其中，α和β是无法用数学表达式精确表达的系数，通过晶体管级的仿真进行确定；ΔV_{GS_ST}表示与温度成正比的部分，ΔV_{GS_SI}为常数部分；n是一个与工艺有关的参数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电量，M是误差放大器输入管沟道宽度W₁和W₂之比，误差放大器输入管具有相同的沟道长度L和相同的源漏电流；V_T、μ_n、C_ox和I_S分别为晶体管的阈值电压、沟道迁移率、单位面积的栅电容和误差放大器的偏置电流，I_S恒定。

所述反馈电阻网络由电阻R1、R2和R3串联构成，R1和R3为固定电阻，R2为可调电阻，反馈电阻网络把低压差线性电压调节器的输出电压以R2/(R1+R2+R3)为反馈系数反馈到误差放大器的输入端。

本发明还可包括下冲补偿电路，所述下冲补偿电路是由采样电容Cb和金属氧化物半导体(MOS)晶体管组成的高通支路，其带宽远大于误差放大器的带宽；当LDO的输出负载变化引起输出电压的下冲时，下冲补偿电路为误差放大器提供额外的偏置电流，从而增大误差放大器的带宽，使LDO的输出电压能够快速稳定，下冲补偿电路降低了稳定工作时误差放大器的偏置电流，同时降低了LDO的输出稳态建立时间。

本发明还可包括片上去耦电容，所述片上去耦电容接在LDO输出电压与GND之间。

与现有技术相比，本发明不需要外接参考电压，降低了电路实现的功耗和成本。本发明的输出电压通过电路参数的设计可以配置，提高了应用的范围。本发明设计了专门的下冲补偿电路，在保证短的输出电压瞬态建立时间的前提下，进一步降低了LDO电路功耗。

附图说明

图1是传统的模拟型LDO结构框图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明的一个实施例的电路图。

图4是本发明的偏置电压产生电路。

图5是本发明的第二个实施例的电路图。

图6是本发明的第三个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明一种自带参考电压源且输出电压可配置的LDO电路，包括误差放大器、缓冲器、电压调节晶体管、下冲补偿电路、反馈电阻网络、三极管和片上去耦电容，如图2所示。

其中误差放大器为共源共栅结构的差分输入单端输出放大器。LDO电路的参考电压来源为误差放大器的输入管栅源电压的差值ΔV_GS。ΔV_GS加到反馈电阻网络上，经过电阻网络的放大后与三极管的基极-发射极电压叠加在一起，组成LDO的输出电压。

下冲补偿电路是由采样电容和金属氧化物半导体(MOS)晶体管组成的高通支路。当LDO的输出负载变化引起输出电压的下冲时，下冲补偿电路为误差放大器提供额外的偏置电流，从而增大误差放大器的带宽，使LDO的输出电压能够快速稳定。下冲补偿电路降低了稳定工作时误差放大器的偏置电流，同时降低了LDO的输出稳态建立时间。

图3为本发明实施例一的电路图。其中误差放大器为共源共栅结构的放大器。本发明不需要外接参考电压，参考电压来源为误差放大器的输入管M1和输入管M2的栅源电压的差值ΔV_GS。

如果M1和M2偏置在深亚阈值区，根据半导体器件物理理论，深亚阈值区晶体管的源漏电流I_D与栅源电压V_{GS_ST}的关系为

其中I_D0是亚阈值区MOS管的电流密度，W和L是MOS管的有效沟道宽度和长度，k是玻尔兹曼常数，q是电子电量，T是绝对温度，n一个与工艺有关的参数。在电路中，由于晶体管M5-M8组成的电流镜的作用，使得输入管M1和输入管M2具有相同的源漏电流。在设计中，取M1和M2具有相同的沟道长度L，而其沟道宽度之比取为M。相同的源漏电流和不同的尺寸使得M1和M2的栅源电压不同，其差值ΔV_{GS_ST}可以表示为：

ΔV_{GS_ST}与绝对温度成正比，具有正的温度系数，所以可以把ΔV_{GS_ST}表示为

ΔV_{GS_ST}＝A·T，其中

如果M1和M2偏置在强反型区，那么源漏电流与栅源电压的关系为

其中V_T、μ_n、C_ox和I_S分别为晶体管的阈值电压、沟道迁移率、单位面积的栅电容和流经M0的尾电流。M1和M2的栅源电压差值ΔV_{GS_SI}可以表示为

如果I_S恒定，那么ΔV_{GS_SI}是个常数，可以表示为

ΔV_{GS_SI}＝C

在本发明中，使输入管M₁和M₂偏置在近阈值电压区，也就是说在亚阈值区和强反型区之间。ΔV_GS由两部分构成，与温度成正比的部分ΔV_{GS_ST}和常数部分ΔV_{GS_SI}。ΔV_GS可以表示为

ΔV_GS≈α·ΔV_{GS_ST}+β·ΔV_{GS_SI}＝αAT+βC

系数α和β无法用数学表达式精确表达，但是可以通过晶体管级的仿真进行确定。

根据图3的电路结构，LDO的输出电压V_O可以表示为

其中V_BE是三极管Q1的基极-发射极电压，并且反馈系数F＝R₂/(R₁+R₂+R₃)。根据文献：Johns,D.A.,Martin,K.:‘Analog Integrated Circuit Design’,John Wiley&Sons,Inc.,1997,1st Edition，

其中V_G0为外推到绝对零度时硅的带隙电压，其值大约为1.206V，T₀是参考温度，V_BE0是在参考温度T₀下的三极管基极-发射极电压，m是一个常数，其值约为2.3。V_BE具有负的温度系数，可以表示为

V_BE≈V_G0-B·T

其中B是一个待定系数。所以输出电压V_O为

输出电压V_O包括两部分：常数部分和与温度成比例的部分。设计目标是使等于电路需要的目标电压值而温度系数为0。由于V_G0是常数，而参数A、B、C由器件尺寸决定。参数F、α和β可以通过调节R2和偏置电压vb的值进行调整。在设计过程中，通过晶体管级的仿真可以对这些参数进行确定。电路流片完成后，通过调整片上的寄存器值对R2和偏置电压vb进行调整，得到需要的电压值。

在图3所示的下冲补偿电路中，采样电容Cb与反馈电阻网络R1-R3组成了一个高通支路，其带宽远大于误差放大器的带宽。当输出负载的变化导致输出电压出现下冲时，下冲信号通过采样电容Cb耦合到下冲补偿电路中，经过M13和M17的放大并转化为电流，经过M18和M19组成的电流镜镜像，将电流反馈到误差放大器中。在下冲消除以后，M19处于关断状态，不对误差放大器提供偏置电流。下冲补偿电路在不牺牲本发明的输出稳态建立时间的前提下，降低了误差放大器的静态偏置电流。

在本发明的实施例中，缓冲器采用由M9和M10组成的源极跟随器结构。M10提供偏置电流，M9提供增益。缓冲器降低了电压调节晶体管Mp的栅极阻抗，有利于提高LDO的环路稳定性。本发明采用电阻R_C和电容C_C相串联的密勒补偿结构来保证环路的稳定性。

在图3所示的电路中，偏置电压vb、vb2和vb3由图4的偏置电压产生电路产生。

在不同的电路实现中，本发明实施例中的误差放大器、缓冲器结构可能有所不同。应当指出，在不脱离该发明技术原理的前提下，改变误差放大器和缓冲器的实现方式而形成的电路，也应视为本发明的保护范围。

图5是本发明第二个实施例的电路图，缓冲器采用单位增益的放大器实现。

图6是本发明第三个实施例的电路图，误差放大器采用五管的跨导放大器结构，缓冲器为单位增益放大器。

Claims (5)

1.一种低压差线性电压调节器，包括误差放大器，误差放大器的输出通过缓冲器接电压调节晶体管，其特征在于，所述误差放大器为共源共栅结构的差分输入单端输出放大器，以误差放大器输入管栅源电压的差值ΔV_GS作为低压差线性电压调节器的参考电压，ΔV_GS加到反馈电阻网络上，经过反馈电阻网络的放大后与三极管的基极-发射极电压叠加在一起，组成低压差线性电压调节器的输出电压，其中所述误差放大器输入管栅源电压的差值ΔV_GS表示为

ΔV_GS≈α·ΔV_{GS_ST}+β·ΔV_{GS_SI}

其中，α和β是无法用数学表达式精确表达的系数，通过晶体管级的仿真进行确定；ΔV_{GS_ST}表示与温度成正比的部分，ΔV_{GS_SI}为常数部分；n是一个与工艺有关的参数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电量，M是误差放大器输入管沟道宽度W₁和W₂之比，误差放大器输入管具有相同的沟道长度L和相同的源漏电流；V_T、μ_n、C_ox和I_S分别为晶体管的阈值电压、沟道迁移率、单位面积的栅电容和误差放大器的偏置电流，I_S恒定。

2.根据权利要求1所述低压差线性电压调节器，其特征在于，所述误差放大器的输入管偏置在近阈值电压区，即亚阈值区和强反型区之间。

3.根据权利要求1所述低压差线性电压调节器，其特征在于，所述反馈电阻网络由电阻R1、R2和R3串联构成，R1和R3为固定电阻，R2为可调电阻，反馈电阻网络把低压差线性电压调节器的输出电压以R2/(R1+R2+R3)为反馈系数反馈到误差放大器的输入端。

4.根据权利要求1所述低压差线性电压调节器，其特征在于，还包括下冲补偿电路，所述下冲补偿电路是由采样电容Cb和金属氧化物半导体(MOS)晶体管组成的高通支路，其带宽远大于误差放大器的带宽；当LDO的输出负载变化引起输出电压的下冲时，下冲补偿电路为误差放大器提供额外的偏置电流，从而增大误差放大器的带宽，使LDO的输出电压能够快速稳定，下冲补偿电路降低了稳定工作时误差放大器的偏置电流，同时降低了LDO的输出稳态建立时间。

5.根据权利要求1所述低压差线性电压调节器，其特征在于，还包括片上去耦电容，所述片上去耦电容接在LDO输出电压与GND之间。