CN109240401B - 低压差线性稳压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低压差线性稳压电路，包括：引入电源噪声信号的电源噪声抑制模块；将低压差线性稳压电路的输出电压与参考电压的误差信号放大的误差放大模块；将误差放大模块的输出信号及电源噪声信号输出到调整管的控制端的源极跟随器；受源极跟随器的输出信号控制调整输出电压，并抵消电源噪声信号的调整管；以及连接于低压差线性稳压电路输出端的第一电容。本发明将中频电源噪声加载到调整管的栅极，以此抵消中频电源噪声对输出信号的影响，并结合电路的增益及输出电容提高低频及高频电源噪声抑制能力，进而实现无片外电容的低压差线性稳压器的全频带的高电源噪声抑制能力，降低了电源噪声对传输信号的影响，大大提高了输出信号质量。

Description

低压差线性稳压电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种低压差线性稳压电路。
背景技术
高速光通信芯片、射频芯片内部往往需要多个电源转换电路为电路工作提供稳定的内部电源，同时将产生噪声的电路与对噪声较敏感的电路在电源通路上隔离开，以此提高芯片内部传输信号的质量。一般采用低压差线性稳压器来实现芯片内部的电源转换功能，另外，为了降低系统设计的复杂度，并减少成本，往往采用无外部补偿电容的低压差线性稳压器。
传统无片外电容的低压差线性稳压器往往具有较高的低频及高频电源噪声抑制能力，但是中频电源噪声抑制能力较差；而中频电源噪声抑制能力对于射频、光通信等应用尤其关键，因此，如何在无片外电容的低压差线性稳压器中实现全频带的高电源噪声抑制能力，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低压差线性稳压电路，用于解决现有技术中无片外电容的低压差线性稳压器的中频电源噪声抑制能力较差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低压差线性稳压电路，所述低压差线性稳压电路至少包括：
电源噪声抑制模块、误差放大模块、源极跟随器、调整管及第一电容；
所述电源噪声抑制模块在电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入所述源极跟随器；
所述误差放大模块连接于所述低压差线性稳压电路的输出端，并接收一参考电压，将所述低压差线性稳压电路的输出电压与所述参考电压的误差信号放大；
所述源极跟随器连接于所述电源噪声抑制模块及所述误差放大模块的输出端，将所述误差放大模块的输出信号及所述电源噪声信号输出到所述调整管的控制端；
所述调整管连接于电源电压与所述第一电容的上极板之间，所述调整管的控制端连接所述源极跟随器的输出端，根据所述误差放大模块的输出信号调整所述低压差线性稳压电路的输出电压，并抵消所述电源噪声信号；所述第一电容的下极板接地。
可选地，所述电源噪声引入单元包括第一电流源，电源噪声引入单元及电流镜；
所述电源噪声引入单元的输入端连接所述第一电流源，输出端连接所述电流镜的输入端，用于将所述第一电流源以设定比例输出，并在所述电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入设定比例的第一电流源信号中；
所述电流镜的输入端连接所述电源噪声引入单元，输出端连接所述源极跟随器，用于将所述电源噪声引入单元输出的电流传输到所述源极跟随器。
更可选地，所述电源噪声抑制模块包括第一晶体管、第二晶体管、第一电阻及第二电容；
所述第一晶体管连接于所述第一电流源与所述电源电压之间，所述第一晶体管的控制端连接所述第一电流源；所述第二晶体管连接于所述电流镜的输入端与所述电源电压之间，所述第二晶体管的控制端通过所述第一电阻连接所述第一晶体管的控制端；所述第二电容的上极板连接所述第二晶体管的控制端，下极板接地。
更可选地，所述第一晶体管及所述第二晶体管为PMOS管，所述第一晶体管与所述第二晶体管的宽长比相等。
更可选地，所述设定频率满足如下关系式：
Figure BDA0001789203200000021
其中，fset为设定频率，R1为第一电阻的阻值，C2为第二电容的容值。
更可选地，所述电流镜包括第三晶体管及第四晶体管，所述第三晶体管及所述第四晶体管为NMOS管，所述第三晶体管与所述第四晶体管的宽长比相等。
可选地，所述误差放大模块包括误差放大器，所述误差放大器的反相输入端连接所述低压差线性稳压电路的输出电压，正相输入端连接所述参考电压，输出端连接所述源极跟随器。
可选地，所述源极跟随器包括第二电流源、第五晶体管及第六晶体管；所述第二电流源的输入端连接所述电源电压，所述第五晶体管连接于所述第二电流源与所述电源噪声抑制模块的输出端之间，所述第五晶体管的控制端连接所述误差放大模块的输出端；所述第六晶体管连接于所述第二电流源的输出端与地之间，所述第六晶体管的控制端连接所述电源噪声抑制模块的输出端。
更可选地，所述第五晶体管为PMOS管，所述第六晶体管为NMOS管。
可选地，所述调整管为PMOS管。
可选地，所述低压差线性稳压电路还包括一端连接所述第一电容的上极板、另一端接地的负载。
如上所述，本发明的低压差线性稳压电路，具有以下有益效果：
本发明的低压差线性稳压电路将中频电源噪声加载到调整管的栅极，以此抵消中频电源噪声对输出信号的影响，并结合本发明的低压差线性稳压电路的增益及输出电容提高低频及高频电源噪声抑制能力，进而实现无片外电容的低压差线性稳压器的全频带的高电源噪声抑制能力，降低了电源噪声对传输信号的影响，大大提高了输出信号质量。
附图说明
图1显示为本发明的低压差线性稳压电路的结构示意图。
图2显示为本发明的低压差线性稳压电路与现有技术的低压差线性稳压电路的电源噪声抑制特性曲线示意图。
元件标号说明
1 低压差线性稳压电路
11 电源噪声抑制模块
111 电源噪声引入单元
112 电流镜
12 误差放大模块
13 源极跟随器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种低压差线性稳压电路1，所述低压差线性稳压电路1包括：
电源噪声抑制模块11、误差放大模块12、源极跟随器13、调整管Mpass、第一电容C1及负载Rload。
如图1所示，所述电源噪声抑制模块11在电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入所述源极跟随器13。
具体地，在本实施例中，所述电源噪声抑制模块11包括第一电流源I1，电源噪声引入单元111及电流镜112。
更具体地，所述第一电流源I1的输入端连接所述电源噪声引入单元111，所述第一电流源I1的输出端接地。
更具体地，所述电源噪声引入单元111的输入端连接所述第一电流源I1，输出端连接所述电流镜112的输入端，用于将所述第一电流源I1以设定比例输出，并在所述电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入设定比例的第一电流源信号中。如图1所示，所述电源噪声引入单元111包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电阻R1及第二电容C2；在本实施例中，所述第一晶体管M1及所述第二晶体管M2为PMOS管；所述第一晶体管M1的源极连接所述电源电压VDD、漏极连接所述第一电流源I1、栅极连接所述第一晶体管M1的漏极；所述第二晶体管M2的源极连接所述电源电压VDD、漏极连接所述电流镜112的输入端、栅极通过所述第一电阻R1连接所述第一晶体管M1的栅极；所述第二电容C2的上极板连接所述第二晶体管M2的栅极、下极板接地。所述第一晶体管M1及所述第二晶体管M2的宽长比的比值可根据需要设定，以将所述第一电流源I1以设定比例从所述第一晶体管M1的漏极传输到所述第二晶体管M2的漏极。在本实施例中，所述第一晶体管M1及所述第二晶体管M2的宽长比相等，所述第一电流源I1被等比例镜像输出。所述第一电阻R1及所述第二电容C2用于设定所述电源噪声信号可通过的频率，当所述电源噪声信号的频率大于所述第一电阻R1与所述第二电容C2的转角频率时，所述电源噪声信号通过所述第二晶体管M2的源极进入所述第二晶体管M2的漏极，并产生相应的电流，所述设定频率满足如下关系式：
Figure BDA0001789203200000041
其中，fset为设定频率，R1为第一电阻的阻值，C2为第二电容的容值。可根据实际需要设定所述设定频率fset，不以本实施例为限；在本实施例中，为了提高效率，所述设定频率fset设定为中频；在实际应用中，所述设定频率fset可设定为低频，以进一步提高全频段的电源噪声抑制能力，不以本实施例为限。
更具体地，所述电流镜112的输入端连接所述电源噪声引入单元111，输出端连接所述源极跟随器13，用于将所述电源噪声引入单元111输出的电流传输到所述源极跟随器13。如图1所示，所述电流镜112包括第三晶体管M3及第四晶体管M4；所述第三晶体管M3及所述第四晶体管M4为NMOS管；所述第三晶体管M3的漏极连接所述电源噪声引入单元111的输出端、源极接地、栅极连接所述第三晶体管M3的漏极；所述第四晶体管M4的漏极连接所述源极跟随器13的输入端、源极接地、栅极连接所述第三晶体管M3的栅极。在本实施例中，所述第三晶体管M3及所述第四晶体管M4的宽长比相等，所述电源噪声引入单元111的输出信号被等比例镜像输出。
如图1所示，所述误差放大模块12连接于所述低压差线性稳压电路1的输出端，并接收一参考电压Vref，将所述低压差线性稳压电路的输出电压Vout与所述参考电压Vref的误差信号放大。
具体地，在本实施例中，所述误差放大模块12采用误差放大器实现，所述误差放大器的反相输入端连接所述低压差线性稳压电路的输出电压Vout，正相输入端连接所述参考电压Vref，输出端连接所述源极跟随器13。所述误差放大器的输入端的连接关系可通过增加反相器进行调整和互换，任意能实现本发明的逻辑关系的结构及连接关系均适用于本发明，不以本实施例为限。
如图1所示，所述源极跟随器13连接于所述电源噪声抑制模块11及所述误差放大模块12的输出端，将所述误差放大模块的输出信号及所述电源噪声信号输出到所述调整管Mpass的控制端。
具体地，所述源极跟随器13包括第二电流源I2、第五晶体管M5及第六晶体管M6。在本实施例中，所述第五晶体管M5为PMOS管，所述第六晶体管M6为NMOS管；所述第二电流源I2的输入端连接所述电源电压VDD、输出端连接所述第五晶体管M5的源极，所述第五晶体管M5的栅极连接所述误差放大模块12的输出端，所述第五晶体管M5的漏极连接所述电源噪声抑制模块11的输出端，所述第六晶体管M6的漏极连接于所述第二电流源I2的输出端、栅极连接所述第五晶体管M5的漏极、源极接地。所述第五晶体管M5与所述第六晶体管M6形成强反馈，将作用于所述第六晶体管M6栅极的所述电源噪声信号复制到所述调整管Mpass的栅极，且所述第五晶体管M5与所述第六晶体管M6形成的超级源极跟随结构可有效减小输入、输出阻抗，提高驱动能力。
需要说明的是，在本实施例中，所述第五晶体管M5与所述第二晶体管M2的宽长比相等，在实际应用中，可根据需要设定各晶体管的宽长比，所述电源噪声信号被等比例复制到所述调整管Mpass的栅极即可，具体参数不以本实施例为限。
如图1所示，所述调整管Mpass连接于所述电源电压VDD与所述第一电容C1的上极板之间，所述调整管Mpass的控制端连接所述源极跟随器13的输出端，根据所述误差放大模块12的输出信号调整所述低压差线性稳压电路的输出电压Vout，并抵消所述电源噪声信号。
具体地，在本实施例中，所述调整管Mpass为PMOS管，所述调整管Mpass的源极连接所述电源电压VDD、漏极连接所述第一电容C1的上极板、栅极连接所述源极跟随器13的输出端。从所述第二晶体管M2的源极引入的所述电源噪声信号被加载到所述调整管Mpass的栅极，引入的所述电源噪声信号与所述调整管Mpass源极的所述电源噪声信号相等，使得所述调整管Mpass的栅极与源极之间的压差为零，因此，所述电源噪声信号被抵消，消除了所述电源噪声信号对最终输出的影响，所述调整管Mpass的漏极输出的信号中不存在所述电源噪声信号，在本实施例中，抵消的所述电源噪声信号为中频信号。
如图1所示，所述第一电容C1的上极板连接所述调整管Mpass、下极板接地。
具体地，所述第一电容C1连接于所述低压差线性稳压电路1的输出端，用于稳压，并滤除所述电源电压VDD的高频噪声。所述第一电容C1的电容值较小，可内置于芯片内部。
在本实施例中，所述电源电压VDD的低频噪声可通过本发明的低压差线性稳压电路1的增益进行去除。
如图1所示，所述负载Rload的一端连接所述第一电容C1的输出端，另一端接地。
至此，本发明的低压差线性稳压电路1完成了全频段的高电源抑制比，且不需要片外电容。
本发明的低压差线性稳压电路1在不改变低压差线性稳压电路(LDO，low dropoutregulator)其他性能的前提下，提高其中频电源噪声抑制性能(PSR，Power SupplyRejection)。如图2所示，实线为现有是的线性稳压器的电源噪声抑制特性曲线，虚线是本发明的低压差线性稳压电路的电源噪声抑制特性曲线，从两条曲线的对比可以看出，本发明的低压差线性稳压电路相比现有技术将中频段电源噪声抑制特性提高了大约10dB，而低频和高频电源噪声抑制特性与现有技术基本相同，可以达到全频带大于20dB的电源噪声抑制性能，电路性能大大提高。
如上所述，本发明的低压差线性稳压电路，具有以下有益效果：
本发明的低压差线性稳压电路将中频电源噪声加载到调整管的栅极，以此抵消中频电源噪声对输出信号的影响，并结合本发明的低压差线性稳压电路的增益及输出电容提高低频及高频电源噪声抑制能力，进而实现无片外电容的低压差线性稳压器的全频带的高电源噪声抑制能力，降低了电源噪声对传输信号的影响，大大提高了输出信号质量。
综上所述，本发明提供一种低压差线性稳压电路，包括：电源噪声抑制模块、误差放大模块、源极跟随器、调整管及第一电容；所述电源噪声抑制模块在电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入所述源极跟随器；所述误差放大模块连接于所述低压差线性稳压电路的输出端，并接收一参考电压，将所述低压差线性稳压电路的输出电压与所述参考电压的误差信号放大；所述源极跟随器连接于所述电源噪声抑制模块及所述误差放大模块的输出端，将所述误差放大模块的输出信号及所述电源噪声信号输出到所述调整管的控制端；所述调整管连接于所述电源电压与所述第一电容的上极板之间，所述调整管的控制端连接所述源极跟随器的输出端，根据所述误差放大模块的输出信号调整所述低压差线性稳压电路的输出电压，并抵消所述电源噪声信号；所述第一电容的下极板接地。本发明的低压差线性稳压电路在全频带实现高电源噪声抑制能力，且无片外电容，大大降低了电源噪声对传输信号的影响，提高了输出信号质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种低压差线性稳压电路，其特征在于，所述低压差线性稳压电路至少包括：
电源噪声抑制模块、误差放大模块、源极跟随器、调整管及第一电容；
所述电源噪声抑制模块在电源噪声信号的频率大于设定频率时将所述电源噪声信号引入所述源极跟随器，所述电源噪声信号为中频信号；
所述误差放大模块连接于所述低压差线性稳压电路的输出端，并接收一参考电压，将所述低压差线性稳压电路的输出电压与所述参考电压的误差信号放大；
所述源极跟随器连接于所述电源噪声抑制模块及所述误差放大模块的输出端，将所述误差放大模块的输出信号及所述电源噪声信号输出到所述调整管的控制端；
所述调整管连接于电源电压与所述第一电容的上极板之间，所述调整管的控制端连接所述源极跟随器的输出端，根据所述误差放大模块的输出信号调整所述低压差线性稳压电路的输出电压，并抵消所述电源噪声信号；所述第一电容的下极板接地；
其中，所述电源噪声抑制模块包括第一电流源，电源噪声引入单元及电流镜；所述电源噪声引入单元的输入端连接所述第一电流源，输出端连接所述电流镜的输入端；所述电流镜的输入端连接所述电源噪声引入单元，输出端连接所述源极跟随器；
所述源极跟随器包括第二电流源、第五晶体管及第六晶体管；所述第二电流源的输入端连接所述电源电压，所述第五晶体管连接于所述第二电流源与所述电流镜的输出端之间，所述第五晶体管的控制端连接所述误差放大模块的输出端；所述第六晶体管连接于所述第二电流源的输出端与地之间，所述第六晶体管的控制端连接所述电源噪声抑制模块的输出端。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述电源噪声引入单元包括第一晶体管、第二晶体管、第一电阻及第二电容；
所述第一晶体管连接于所述第一电流源与所述电源电压之间，所述第一晶体管的控制端连接所述第一电流源；所述第二晶体管连接于所述电流镜的输入端与所述电源电压之间，所述第二晶体管的控制端通过所述第一电阻连接所述第一晶体管的控制端；所述第二电容的上极板连接所述第二晶体管的控制端，下极板接地。
3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述第一晶体管及所述第二晶体管为PMOS管，所述第一晶体管与所述第二晶体管的宽长比相等。
4.根据权利要求2所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述设定频率满足如下关系式：
Figure FDA0002440143670000021
其中，fset为设定频率，R1为第一电阻的阻值，C2为第二电容的容值。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述电流镜包括第三晶体管及第四晶体管，所述第三晶体管及所述第四晶体管为NMOS管，所述第三晶体管与所述第四晶体管的宽长比相等。
6.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述误差放大模块包括误差放大器，所述误差放大器的反相输入端连接所述低压差线性稳压电路的输出电压，正相输入端连接所述参考电压，输出端连接所述源极跟随器。
7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述第五晶体管为PMOS管，所述第六晶体管为NMOS管。
8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述调整管为PMOS管。
9.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述低压差线性稳压电路还包括一端连接所述第一电容的上极板、另一端接地的负载。
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