CN109375696B - 一种线性低压差恒流源电路及共源极放大器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种线性低压差恒流源电路及共源极放大器，线性低压差恒流源电路包括：第一级误差放大器、第二级共源极放大器、第三级源极跟随器以及输出电流反馈电路，第一级误差放大器，同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压；第二级共源极放大器，包括：第一MOSFET、恒流源以及第二电容；输出电流反馈电路，包括：第二MOSFET以及电流变换器；电流变换器的输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连，第二输出端与输出电压相连；第三级源极跟随器，栅极与第二MOSFET的栅极相连，源极与负载的输出电压相连，漏极接入输入电压。可以有效降低电路的成本。

Description

一种线性低压差恒流源电路及共源极放大器

技术领域

本申请涉及频率补偿技术领域，具体而言，涉及一种线性低压差恒流源电路及共源极放大器。

背景技术

低压差线性恒流源电路广泛应用于锂电池充电及管理系统中，图1为现有低压差线性恒流源电路结构示意图，如图1所示，该低压差线性恒流源电路包括：第一级误差放大器11、第二级共源极放大器12、第三级源极跟随器13以及输出电流反馈电路14，其中，

第一级误差放大器11，用于将输出电流反馈电路14的输出电流的反馈量与参考电压(Vref)进行比较并且放大；其中，输出电流的反馈量为电压，

第一级误差放大器11为一比较器或运放器，第一级误差放大器11的同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压。

第二级共源极放大器12，包括：第一金氧半场效晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)121、恒流源122、第一电容(C1)123以及缓冲器124；

第一MOSFET121的栅极分别与第一级误差放大器11的输出端以及第一电容123的一端相连，源极接地，漏极分别与恒流源122的输出端以及缓冲器124的输出端相连；

第一电容123的另一端与缓冲器124的输入端相连；通过在第一MOSFET121的栅极、漏极两端并联第一电容123以进行Miller频率补偿，且如果第一电容123带来的右半平面零点影响系统稳定性，可以再串联一单位增益的缓冲器124。

恒流源122的输入端接收比输出电压高预设电压阈值的电压；

输出电流反馈电路13，包括：第二MOSFET131以及电流变换器132，其中，

第二MOSFET131的栅极与第一MOSFET121的漏极相连，漏极接入输入电压，源极与电流变换器132的输入端相连；

电流变换器132的第一输出端与第一级误差放大器11的同相输入端相连，第二输出端与负载(Vout)相连；输出电流反馈电路用于对输出电流进行采样，并按照一定比例转换为反馈电压。

第三级源极跟随器14，包括第三MOSFET，第三MOSFET的栅极与第二MOSFET121的栅极相连，源极与负载相连，漏极接入输入电压(Vin)，其中，第三MOSFET为N型MOSFET，形成源极跟随器。

但该低压差线性恒流源电路，若需要保持较低的功耗，需要第一电容的电容值较高，而较高的电容值又会使得第一电容的芯片面积较大，从而增大了低压差线性恒流源电路的体积，增大了成本。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种低压差线性恒流源电路及共源极放大器，用于解决现有技术中低压差线性恒流源电路保持较低的功耗需要较大的芯片面积导致的成本上升的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种线性低压差恒流源电路，包括：第一级误差放大器、第二级共源极放大器、第三级源极跟随器以及输出电流反馈电路，其中，

第一级误差放大器，同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压；

第二级共源极放大器，包括：第一金氧半场效晶体管MOSFET、恒流源以及第二电容；

第一MOSFET的栅极分别与第一级误差放大器的输出端以及第二电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连；

第二电容的另一端与第一级误差放大器的同相输入端相连；

恒流源的输入端接入比输出电压高预设电压阈值的电压；

输出电流反馈电路，包括：第二MOSFET以及电流变换器，其中，

第二MOSFET的栅极与第一MOSFET的漏极相连，漏极接入输入电压，源极与电流变换器的第一输入端相连；

电流变换器的输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连，第二输出端与输出电压相连；

第三级源极跟随器，包括第三MOSFET，第三MOSFET的栅极与第二MOSFET的栅极相连，源极与负载的输出电压相连，漏极接入输入电压。

可选地，还包括：

缓冲器，输入端与第二电容的另一端相连，输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连。

可选地，所述缓冲器包括：源极跟随器、运算放大器。

可选地，所述第一级误差放大器包括：比较器、运放器。

可选地，所述第三MOSFET为N型MOSFET。

可选地，所述低压差线性恒流源电路的零点大小为：

式中，

z为零点大小；

gm1为第一级误差放大器的跨导；

c2为第二电容的电容值。

可选地，所述低压差线性恒流源电路的增益带宽积为：

式中，

GBW1为增益带宽积；

gm2为第二级共源极放大器的跨导；

gmp为第三级源极跟随器的跨导；

rfb为输出电流反馈电路的等效阻抗；

co2为第二级共源极放大器的输出电容。

可选地，所述零点大小小于所述增益带宽积的1/2。

第二方面，本申请实施例提供了一种共源极放大器，应用于线性低压差恒流源电路，包括：金氧半场效晶体管MOSFET、恒流源以及电容；

MOSFET的栅极与电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连；

电容的另一端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连；

恒流源的输入端接入比所述线性低压差恒流源电路的输出电压高预设电压阈值的电压。

可选地，还包括：

缓冲器，输入端与第二电容的另一端相连，输出端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连。

本申请实施例提供的一种线性低压差恒流源电路及共源极放大器，线性低压差恒流源电路包括：第一级误差放大器、第二级共源极放大器、第三级源极跟随器以及输出电流反馈电路，其中，第一级误差放大器，同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压；第二级共源极放大器，包括：第一金氧半场效晶体管MOSFET、恒流源以及第二电容；第一MOSFET的栅极分别与第一级误差放大器的输出端以及第二电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连；第二电容的另一端与第一级误差放大器的同相输入端相连；恒流源的输入端接入比输出电压高预设电压阈值的电压；输出电流反馈电路，包括：第二MOSFET以及电流变换器，其中，第二MOSFET的栅极与第一MOSFET的漏极相连，漏极接入输入电压，源极与电流变换器的第一输入端相连；电流变换器的输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连，第二输出端与输出电压相连；第三级源极跟随器，包括第三MOSFET，第三MOSFET的栅极与第二MOSFET的栅极相连，源极与负载的输出电压相连，漏极接入输入电压。这样，将在第一MOSFET的栅极和漏极之间接入第一电容的连接方式，改变为在第一MOSFET的栅极和第一级误差放大器的同相输入端之间接入第二电容的连接方式，可以同时满足低功耗和低成本的要求，有效减少了芯片的面积，从而降低了低压差线性恒流源电路的成本。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有低压差线性恒流源电路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的低压差线性恒流源电路结构示意图；

图3为基于图1的低压差线性恒流源电路的小信号等效模型示意图；

图4为基于图3的简化示意图；

图5为基于图4的简化示意图；

图6为本申请实施例基于图2的低压差线性恒流源电路的小信号等效模型示意图；

图7为本申请实施例提供的共源极放大器结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图2为本申请实施例提供的低压差线性恒流源电路结构示意图。如图2所示，该低压差线性恒流源电路包括：第一级误差放大器11、第二级共源极放大器22、第三级源极跟随器14以及输出电流反馈电路13，其中，第一级误差放大器11、第三级源极跟随器14以及输出电流反馈电路13分别与图1的第一级误差放大器、第三级源极跟随器以及输出电流反馈电路相同。

第一级误差放大器11，同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压(Vref)；

第二级共源极放大器22，包括：第一MOSFET121、恒流源122以及第二电容224；

第一MOSFET121的栅极分别与第一级误差放大器11的输出端以及第二电容224的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连；

第二电容224的另一端与第一级误差放大器11的同相输入端相连；

恒流源122的输入端接入比输出电压高预设电压阈值的电压，输出端接入第一MOSFET121的漏极；

输出电流反馈电路13，包括：第二MOSFET131以及电流变换器132，其中，

第二MOSFET131的栅极与第一MOSFET121的漏极相连，漏极接入输入电压(Vin)，源极与电流变换器132的第一输入端相连；

电流变换器132的第一输出端与第一级误差放大器11的同相输入端相连，第二输入端与输出电压(Vout)相连；

第三级源极跟随器14，包括第三MOSFET，第三MOSFET的栅极与第二MOSFET的栅极相连，源极与负载的输出电压相连，漏极接入输入电压。

本申请实施例中，通过改变第二电容在电路中的连接方式，实现芯片面积的减少，具体分析在后续进行详细描述。

本申请实施例中，输出电流的反馈量为电压，第一级误差放大器用于将输出电流反馈电路的输出电流的反馈量与参考电压(Vref)进行比较并且放大。

本申请实施例中，作为一可选实施例，第一级误差放大器包括但不限于：比较器、运放器。

本申请实施例中，输出电流反馈电路用于对输入电流进行采样，并按照预设的比例转换为反馈电压，分别输出至第一级误差放大器的同相输入端以及负载。

本申请实施例中，作为一可选实施例，第三MOSFET为N型MOSFET，用于实现源极跟随。

本申请实施例中，进行Miller频率补偿的第二电容，由于其右半平面零点可能影响整个电路的稳定性，因而，作为一可选实施例，该低压差线性恒流源电路还可以包括：

缓冲器123，输入端与第二电容224的另一端相连，输出端与第一级误差放大器11的同相输入端相连。

本申请实施例中，作为一可选实施例，缓冲器为单位增益的缓冲器，包括但不限于：源极跟随器、运算放大器等。

本申请实施例中，作为一可选实施例，恒流源的输入端接入的比输出电压高预设电压阈值的电压，可以通过Boost型开关电源、电荷泵电路等实现。作为另一可选实施例，预设电压阈值为5V，即恒流源的输入端接入的电压为：V_out+5V。该恒流源的输入端接入的电压可通过Boost型开关电源、电荷泵电路等对输出电压进行变换得到。

本申请实施例中，作为一可选实施例，第一级误差放大器的反相输入端接入的参考电压可依据实际需要设置。

下面分别对图1和图2的低压差线性恒流源电路的等效电路及原理进行分析。

图3为基于图1的低压差线性恒流源电路的小信号等效模型示意图。

如图3所示，其中，

gm1为第一级误差放大器的跨导，ro1为第一级误差放大器的输出阻抗，co1为第一级误差放大器的输出电容，V1为第一级误差放大器的输出电压；

gm2为第二级共源极放大器的跨导，ro2为第二级共源极放大器的输出阻抗，co2为第二级共源极放大器的输出电容，V2为第二级共源极放大器的输出电压；

gmP为第三级源极跟随器的跨导；

rfb为输出电流反馈电路的等效阻抗，cfb为输出电流反馈电路的等效电容，VFB为输出电流反馈电路的输出电流的反馈量，即电压反馈(VFB，Voltage Feedback)。

在低频下，第一电容(C1)可以简化为在第一级误差放大器的输出端并联一被放大(gm2*ro2)倍的电容。因而。可以对图3进行简化。

图4为基于图3的简化示意图。图4中，在高频下，第一电容(C1)相当于交流短路，因此，图4可以简化为图5，图5为基于图4的简化示意图。

图5中，主极点(p1)和次极点(p2)的大小为：

低压差线性恒流源电路的增益带宽积(GBW，Gain Bandwidth product)为：

通常情况下，gm2的值在100μA/V～1mA/V，第二级共源极放大器的输出电容，即第三级源极跟随器的第三MOSFET的栅极电容在200pF左右，将上述参数代入式(2)，得到次极点的大小：

p2≈80KHz-800KHz

目前，为了使低压差线性恒流源电路达到低功耗的要求，要求gm2的取值较小，以gm2＝400μA/V为例，则p2＝320KHz。为了使低压差线性恒流源电路达到可以接受的稳定性，要求GBW要小于1/2的p2，即：

同时，由于输出电流反馈电路会在全带宽范围内提供一定的增益，即使提供rfb＝1V/A，(gmp*rfb)的值也会在10倍左右。

因而，依据式(3)，为了达到较小的GBW，需要使gm1足够小、和/或，第一电容(C1)足够大。在现有集成电路技术可实现的前提下，取gm1＝10μA/V，在满足低功耗的情形下，那么第一电容(C1)约为：

由于电容值C：

式中，

S为电容有效面积；

d为电容极板间距。

因此，为了使低压差线性恒流源电路达到较低的功耗，即较小的gm2，要求C1≈100pF，需要较大的芯片面积。

本申请实施例中，通过改变第一电容的连接方式，采用前馈频率补偿方式，即将在第一MOSFET的栅极和漏极之间接入第一电容的连接方式，改变为在第一MOSFET的栅极和第一级误差放大器的同相输入端之间接入第二电容的连接方式。

图6为本申请实施例基于图2的低压差线性恒流源电路的小信号等效模型示意图。如图6所示，该低压差线性恒流源电路包含一个零点z、主极点(p1)和次极点(p2)，其中，其大小分别为：

式中，

c2为第二电容的电容值。

由于考虑零点和不考虑零点的低压差线性恒流源电路的增益带宽积相差不大，但考虑零点的低压差线性恒流源电路的增益带宽积计算较为复杂，因而，本申请实施例中，考虑没有零点，该低压差线性恒流源电路的增益带宽积为：

本申请实施例中，依据稳定低压差线性恒流源电路的条件，需要零点z的大小小于GBW1的1/2，即：

对式(4)进行变换，得到：

与式(10)相比较，本申请实施例的式(9)更容易满足。以前述参数为例，取gm1＝10μA/V，gm2＝400μA/V,gmp*rfb＝10，co2＝200pF，将上述参数代入式(9)：

可以得到：

最终，得到：

c2＞2pF

因此，相对于现有技术要求第一电容的电容值需要大于100pF的情形，本申请实施例中，通过改变第二电容的连接方式，只需要第二电容的电容值大于2pF，即可以同时满足低功耗和低成本的要求，有效减少了芯片的面积，降低了低压差线性恒流源电路的成本，也有效缩小了低压差线性恒流源电路的体积，其结构更紧凑。

图7为本申请实施例提供的共源极放大器结构示意图。如图7所示，该共源极放大器包括：金氧半场效晶体管MOSFET71、恒流源72以及电容73；

MOSFET71的栅极与电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源72的输出端相连；

电容73的另一端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连；

恒流源72的输入端接入比所述线性低压差恒流源电路的输出电压高预设电压阈值的电压。

本申请实施例中，作为一可选实施例，该共源极放大器还包括：

缓冲器74，输入端与第二电容73的另一端相连，输出端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种线性低压差恒流源电路，其特征在于，该线性低压差恒流源电路包括：第一级误差放大器、第二级共源极放大器、第三级源极跟随器以及输出电流反馈电路，其中，

第一级误差放大器，同相输入端接入输出电流的反馈量，反相输入端接入参考电压；

第二级共源极放大器，包括：第一金氧半场效晶体管MOSFET、恒流源以及第二电容；

第一MOSFET的栅极分别与第一级误差放大器的输出端以及第二电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连，恒流源的输入端接入的电压通过Boost型开关电源、电荷泵电路对输出电压进行变换得到；

第二电容的另一端与第一级误差放大器的同相输入端相连；

恒流源的输入端接入比输出电压高预设电压阈值的电压；

输出电流反馈电路，包括：第二MOSFET以及电流变换器，其中，

第二MOSFET的栅极与第一MOSFET的漏极相连，漏极接入输入电压，源极与电流变换器的第一输入端相连；

电流变换器的输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连，第二输出端与输出电压相连；

第三级源极跟随器，包括第三MOSFET，第三MOSFET的栅极与第二MOSFET的栅极相连，源极与负载的输出电压相连，漏极接入输入电压。

2.如权利要求1所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，还包括：

缓冲器，输入端与第二电容的另一端相连，输出端与第一级误差放大器的同相输入端相连。

3.如权利要求2所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述缓冲器包括：源极跟随器、运算放大器。

4.如权利要求1所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述第一级误差放大器包括：比较器、运放器。

5.如权利要求1所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述第三MOSFET为N型MOSFET。

6.如权利要求1至5任一项所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述低压差线性恒流源电路的零点大小为：

式中，

z为零点大小；

gm1为第一级误差放大器的跨导；

c2为第二电容的电容值。

7.如权利要求6所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述低压差线性恒流源电路的增益带宽积为：

式中，

GBW1为增益带宽积；

gm2为第二级共源极放大器的跨导；

gmp为第三级源极跟随器的跨导；

rfb为输出电流反馈电路的等效阻抗；

co2为第二级共源极放大器的输出电容。

8.如权利要求7所述的线性低压差恒流源电路，其特征在于，所述零点大小小于所述增益带宽积的1/2。

9.一种共源极放大器，其特征在于，应用于线性低压差恒流源电路，包括：金氧半场效晶体管MOSFET、恒流源以及电容；

MOSFET的栅极与电容的一端相连，源极接地，漏极与恒流源的输出端相连；

电容的另一端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连；

恒流源的输入端接入比所述线性低压差恒流源电路的输出电压高预设电压阈值的电压，恒流源的输入端接入的电压通过Boost型开关电源、电荷泵电路对输出电压进行变换得到。

10.如权利要求9所述的共源极放大器，其特征在于，还包括：

缓冲器，输入端与第二电容的另一端相连，输出端与所述线性低压差恒流源电路的第一级误差放大器的同相输入端相连。

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