CN109683648B - 一种ldo电路 - Google Patents

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Abstract

一种LDO电路，包括误差放大器(EA)、第一场效应管(MP0)、参考电压生成器(100)、反馈电路(200)、瞬态反应电路(400)以及放电电路(300)；LDO电路具有用于向负载提供输出电压的LDO输出端；参考电压生成器(100)与误差放大器(EA)的反相输入端电性连接；第一场效应管(MP0)的栅极经瞬态反应电路(400)与误差放大器(EA)的输出端电性连接，第一场效应管(MP0)的源极接电源(VDD)，第一场效应管(MP0)的漏极分别电性连接LDO输出端以及放电电路(300)；反馈电路(200)电连接在误差放大器(EA)的同相输入端和第一场效应管(MP0)的漏极之间；瞬态反应电路(400)还与第一场效应管(MP0)的漏极电性连接。本发明的LDO电路设计巧妙，实用性强。

Description

一种LDO电路
技术领域
本发明涉及一种LDO电路。
背景技术
当LDO(低压差线性稳压器)应用在微处理器里时，其负载通常是与微处理器时钟同步的，它们的时钟从几千赫兹到几千兆赫兹不等，从而使得LDO的负载电流突变非常快(如10nS)，此时LDO输出的瞬态精度会变差。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了一种LDO电路，以此降低当LDO负载电流突变时输出电压出现的过冲行为，从而提高了LDO输出的交流精度。
本发明所提出的技术方案如下：
本发明提出了一种LDO电路，包括误差放大器、第一场效应管、参考电压生成器、反馈电路、瞬态反应电路以及放电电路；LDO电路具有用于向负载提供输出电压的LDO输出端；
参考电压生成器与误差放大器的反相输入端电性连接，用于给误差放大器提供参考电压；第一场效应管的栅极经瞬态反应电路与误差放大器的输出端电性连接，第一场效应管的源极接电源，第一场效应管的漏极分别电性连接LDO输出端以及用于在LDO输出端的负载电流增大时放电并用于在LDO输出端的负载电流减小时充电的放电电路；反馈电路电连接在误差放大器的同相输入端和第一场效应管的漏极之间，用于给误差放大器提供反馈信号；瞬态反应电路还与第一场效应管的漏极电性连接，用于在LDO输出端的负载电流发生改变时响应输出电压的变化。
本发明上述的LDO电路中，瞬态反应电路包括缓冲器，缓冲器的输入端电性连接误差放大器的输出端，缓冲器的输出端电性连接第一场效应管的栅极；瞬态反应电路还包括高频动态检测和放大电路，高频动态检测和放大电路的输出端电性连接第一场效应管的栅极，高频动态检测和放大电路的输入端电性连接第一场效应管的漏极。
本发明上述的LDO电路中，反馈电路包括电性连接在误差放大器的同相输入端和第一场效应管的漏极之间的第一分压电阻器以及电性连接在误差放大器的同相输入端和接地端之间的第二分压电阻器。
本发明上述的LDO电路中，反馈电路还包括电性连接在误差放大器的输出端和第一场效应管的漏极之间的第一补偿电容器以及电性连接在第一场效应管的栅极和第一场效应管的漏极之间的第二补偿电容器。
本发明上述的LDO电路中，放电电路包括输出电容器和缓冲电容器；输出电容器一端电性连接第一场效应管的漏极，另一端接地；缓冲电容器一端电性连接第一场效应管的漏极，另一端接地。
本发明上述的LDO电路中，高频动态检测和放大电路包括第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管以及第九场效应管；第六场效应管的源极接地，还与第七场效应管的源极电连接；第六场效应管的栅极经第一保护电阻器(R4)与第七场效应管的栅极电连接；第六场效应管的栅极还与第六场效应管的漏极电连接；第六场效应管的漏极经第一偏置电阻器接电源；第七场效应管的栅极经耦合电容器接高频动态检测和放大电路的输入端；第七场效应管的漏极与第二场效应管的漏极电连接，第二场效应管的漏极与第二场效应管的栅极电连接；第二场效应管的源极接电源；第二场效应管的源极还与第三场效应管的源极电连接，第二场效应管的栅极与第三场效应管的栅极电连接；第三场效应管的漏极与高频动态检测和放大电路的输出端电连接；第三场效应管的源极还与第四场效应管的源极电连接；第四场效应管的源极还与第五场效应管的源极电连接；第四场效应管的栅极与第四场效应管的漏极电连接；第四场效应管的栅极还经第二保护电阻器与第五场效应管的栅极电连接；第四场效应管的漏极经第二偏置电阻器与第八场效应管的源极电连接；第五场效应管的栅极经第二滤波电容器接高频动态检测和放大电路的输入端；第五场效应管的漏极接第八场效应管的漏极；第八场效应管的漏极还与第八场效应管的栅极电连接；第八场效应管的源极接地；第八场效应管的源极还与第九场效应管的源极电连接；第八场效应管的栅极与第九场效应管的栅极电连接；第九场效应管的漏极接高频动态检测和放大电路的输出端。
本发明上述的LDO电路中，缓冲器包括第十场效应管，第十场效应管的源极经第三保护电阻器接电源；第十场效应管的源极还接缓冲器的输出端；第十场效应管的栅极接缓冲器的输入端；第十场效应管的漏极接地。
本发明的LDO电路通过采用瞬态反应电路能快速响应输出电压的变化，迅速调节功率器件的驱动电压，显著改善LDO电路的瞬态特性，增加LDO电路的交流精度。本发明的LDO电路设计巧妙，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了一种申请人曾使用的LDO电路的功能模块图；
图2为图1所示的LDO电路的电路图；
图3为图1所示的LDO电路的瞬态响应的波形图；
图4示出了本发明优选实施例的LDO电路的功能模块图；
图5为图4所示的LDO电路的电路图；
图6为图1所示的原实施例的LDO电路和图4所示的优选实施例的LDO电路在负载突然从低到高时瞬态响应的仿真波形图；
图7为图1所示的原实施例的LDO电路和图4所示的优选实施例的LDO电路在负载突然从高到低时瞬态响应的仿真波形图；
图8为图5所示的LDO电路的缓冲器的电路图；
图9为图5所示的LDO电路的高频动态检测和放大电路的电路图。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题是：当LDO(低压差线性稳压器)应用在微处理器里时，其负载通常是与微处理器时钟同步的，它们的时钟从几千赫兹到几千兆赫兹不等，从而使得LDO的负载电流突变非常快(如10nS)，此时LDO输出的瞬态精度会变差。
为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，图1示出了一种申请人曾使用的LDO电路的功能模块图。该LDO电路包括误差放大器EA、场效应管Q、参考电压生成器100、反馈电路200以及放电电路300；LDO电路具有提供输出电压的LDO输出端。
参考电压生成器100与误差放大器EA的反相输入端电性连接，用于给误差放大器EA提供参考电压Vref。场效应管Q的栅极与误差放大器EA的输出端电性连接，场效应管Q的源极接电源VDD，场效应管Q的漏极分别电性连接放电电路300以及LDO输出端；反馈电路200电连接在误差放大器EA的同相输入端和场效应管Q的漏极之间，从而给误差放大器EA提供反馈信号。放电电路300用于在LDO输出端的负载电流增大时放电，并用于在LDO输出端的负载电流减小时充电。
如图2所示，图2为图1所示的LDO电路的电路图。具体地，反馈电路200包括电性连接在误差放大器EA的同相输入端和场效应管Q的漏极之间的第一分压电阻器R1以及电性连接在误差放大器EA的同相输入端和接地端之间的第二分压电阻器R2；反馈电路100通过第一分压电阻器R1和第二分压电阻器R2之间的中间节点向误差放大器EA的正相输入端提供反馈信号。优选地，在本实施例中，反馈电路200还包括电性连接在误差放大器EA的输出端和场效应管Q的漏极之间的第一滤波电容器Cc。
进一步地，在本实施例中，放电电路300包括输出电容器Co和缓冲电容器Cb，其中，输出电容器Co一端电性连接场效应管Q的漏极，另一端接地；缓冲电容器Cb一端电性连接场效应管Q的漏极，另一端接地。
由图3可知，本实施例的LDO电路的具体的工作过程如下：
1)当LDO电路的负载电流Io突然增大时，在短时间内，环路来不及响应，存储在输出电容器Co的电荷开始放电，LDO电路的输出电压Vout开始跌落，在Δt1时间内跌落的电压为ΔVdip，则有以下关系式：
其中，ΔVESR为输出电容器Co的等效串联电阻RESR上的压降值；
Imax为LDO电路的负载电流Io的最大值；
Co为输出电容器Co的电容值；
Cb为缓冲电容器Cb的电容值；
Δt1一般和LDO电路闭环带宽有紧密联系，同时也受到误差放大器EA的寄生电容Cpar和摆率的影响，可以近似为：
式中，BW为LDO电路的带宽；
Cpar为误差放大器EA的寄生电容Cpar的值；
ΔVpar为误差放大器EA的寄生电容Cpar的电压变化量；
Isr为误差放大器EA的寄生电容Cpar的平均充电电流。
2)同理，当LDO电路的负载电流Io突然变小时，LDO电路无法及时响应负载电流的快速变化，此时LDO电路的输出电压Vout开始上升，在Δt3的时间内上升ΔVpeak，可以近似的表示为：
在本实施例中，存在以下问题：1)从输出负载变化到环路响应调节受系统带宽和压摆率的影响，需要很长一段时间，使得过冲电压较大，恢复时间变长。(2)当LDO电路带宽较小时，负载突然变化，使得过冲电压过大，可能导致输出电压偏离直流电压工作点，导致输出电压错误，影响整个芯片的功能。
进一步地，如图4所示，图4示出了本发明优选实施例的LDO电路的功能模块图。该LDO电路包括误差放大器EA、第一场效应管MP0、参考电压生成器100、反馈电路200、瞬态反应电路400以及放电电路300；LDO电路具有提供输出电压的LDO输出端。
参考电压生成器100与误差放大器EA的反相输入端电性连接，用于给误差放大器EA提供参考电压Vref。第一场效应管MP0的栅极经瞬态反应电路400与误差放大器EA的输出端电性连接，第一场效应管MP0的源极接电源VDD，第一场效应管MP0的漏极分别电性连接放电电路300以及LDO输出端；反馈电路200电连接在误差放大器EA的同相输入端和第一场效应管MP0的漏极之间，从而给误差放大器EA提供反馈信号。瞬态反应电路400还与第一场效应管MP0的漏极电性连接，用于在LDO输出端的负载电流发生改变时快速响应输出电压的变化。放电电路300用于在LDO输出端的负载电流增大时放电，并用于在LDO输出端的负载电流减小时充电。
如图5所示，图5为图4所示的LDO电路的电路图。具体地，反馈电路200包括电性连接在误差放大器EA的同相输入端和第一场效应管MP0的漏极之间的第一分压电阻器R1以及电性连接在误差放大器EA的同相输入端和接地端之间的第二分压电阻器R2；反馈电路100通过第一分压电阻器R1和第二分压电阻器R2之间的中间节点向误差放大器EA的正相输入端提供反馈信号。
进一步地，瞬态反应电路400包括缓冲器buffer，缓冲器buffer的输入端电性连接误差放大器EA的输出端，缓冲器buffer的输出端电性连接第一场效应管MP0的栅极；瞬态反应电路400还包括高频动态检测和放大电路Amp1，高频动态检测和放大电路Amp1用于快速检测输出电压的变化并进行响应，以改善LDO的瞬态响应特性。高频动态检测和放大电路Amp1的输出端电性连接第一场效应管MP0的栅极，高频动态检测和放大电路Amp1的输入端电性连接第一场效应管MP0的漏极。在这里，高频动态检测和放大电路Amp1用来快速响应LDO电路的输出瞬态变化，从而调节功率器件，使输出快速建立平衡状态。缓冲器buffer用于使误差放大器EA的输出和高频动态检测和放大电路Amp1的输出不相互影响，起到隔离的作用。当LDO电路的负载为直流时，瞬态反应电路400不起作用，对LDO电路的整个环路系统没有影响。当LDO电路的输出负载瞬态变化时，通过高频动态检测和放大电路Amp1快速调节功率器件的驱动电压，使得输出电压快速达到稳定。
优选地，在本实施例中，反馈电路200还包括电性连接在误差放大器EA的输出端和第一场效应管MP0的漏极之间的第一补偿电容器Cc1以及电性连接在第一场效应管MP0的栅极和第一场效应管MP0的漏极之间的第二补偿电容器Cc2。
进一步地，如图8-图9所示，高频动态检测和放大电路Amp1包括第二场效应管MP1、第三场效应管MP2、第四场效应管MP3、第五场效应管MP4、第六场效应管Mn1、第七场效应管Mn2、第八场效应管Mn3以及第九场效应管Mn4；第六场效应管Mn1的源极接地，还与第七场效应管Mn2的源极电连接；第六场效应管Mn1的栅极经第一保护电阻器R4与第七场效应管Mn2的栅极电连接；第六场效应管Mn1的栅极还与第六场效应管Mn1的漏极电连接；第六场效应管Mn1的漏极经第一偏置电阻器R3接电源VDD；第七场效应管Mn2的栅极经耦合电容器C1接高频动态检测和放大电路Amp1的输入端；第七场效应管Mn2的漏极与第二场效应管MP1的漏极电连接，第二场效应管MP1的漏极与第二场效应管MP1的栅极电连接；第二场效应管MP1的源极接电源VDD；第二场效应管MP1的源极还与第三场效应管MP2的源极电连接，第二场效应管MP1的栅极与第三场效应管MP2的栅极电连接；第三场效应管MP2的漏极与高频动态检测和放大电路Amp1的输出端电连接；第三场效应管MP2的源极还与第四场效应管MP3的源极电连接；第四场效应管MP3的源极还与第五场效应管MP4的源极电连接；第四场效应管MP3的栅极与第四场效应管MP3的漏极电连接；第四场效应管MP3的栅极还经第二保护电阻器R5与第五场效应管MP4的栅极电连接；第四场效应管MP3的漏极经第二偏置电阻器R6与第八场效应管Mn3的源极电连接；第五场效应管MP4的栅极经第二滤波电容器C2接高频动态检测和放大电路Amp1的输入端；第五场效应管MP4的漏极接第八场效应管Mn3的漏极；第八场效应管Mn3的漏极还与第八场效应管Mn3的栅极电连接；第八场效应管Mn3的源极接地；第八场效应管Mn3的源极还与第九场效应管Mn4的源极电连接；第八场效应管Mn3的栅极与第九场效应管Mn4的栅极电连接；第九场效应管Mn4的漏极接高频动态检测和放大电路Amp1的输出端。在这里，耦合电容器C1与第一保护电阻器R4、第二滤波电容器C2与第二保护电阻器R5分别构成两个高通滤波器，仅仅对高频信号进行响应；第一偏置电阻器R3和第六场效应管Mn1构成第七场效应管Mn2的偏置电路，第七场效应管Mn2与第二场效应管MP1、第三场效应管MP2构成从Va1到高频动态检测和放大电路Amp1的输出端的放大电路A1；第二偏置电阻器R6与第四场效应管MP3构成第五场效应管MP4的偏置电路，第五场效应管MP4与第八场效应管Mn3、第九场效应管Mn4构成从Va2到高频动态检测和放大电路Amp1的输出端的放大电路A2。
进一步地，缓冲器buffer包括第十场效应管MQ，第十场效应管MQ的源极经第三保护电阻器R7接电源VDD；第十场效应管MQ的源极还接缓冲器buffer的输出端；第十场效应管MQ的栅极接缓冲器buffer的输入端；第十场效应管MQ的漏极接地。
进一步地，在本实施例中，放电电路300包括输出电容器Co和缓冲电容器Cb，其中，输出电容器Co一端电性连接第一场效应管MP0的漏极，另一端接地；缓冲电容器Cb一端电性连接第一场效应管MP0的漏极，另一端接地。
本实施例的LDO电路的具体的工作过程如下：
1)当LDO电路的负载电流Io突然增大时，输出电压Vout迅速下降，通过耦合电容器C1耦合的作用，Va1和Va2的电压下降，放大电路A1和A2对Va1和Va2的信号进行放大，使I1电流大减，并使I2电流大增，从而使高频动态检测和放大电路Amp1的输出端，即Vg迅速下降，进而导致IP0增大，从而使LDO电路的输出电压Vout快速恢复正常。经过Δt1时间的功率器件响应，此时输出电压Vout跌落的值为ΔVdip，有：
其中，Δt1为高频动态检测和放大电路Amp1的响应时间；
ΔVESR为输出电容器Co的等效串联电阻RESR上的压降值；
Imax为LDO电路的负载电流Io的最大值；
Co为输出电容器Co的电容值；
Cb为缓冲电容器Cb的电容值。
2)当LDO电路的负载电流Io突然减小时，输出电压Vout迅速上升，通过耦合电容器C1耦合的作用，Va1和Va2的电压增大，放大电路A1和A2对Va1和Va2的信号进行放大，使I1电流大增，并使I2电流大减，从而使高频动态检测和放大电路Amp1的输出端，即Vg迅速上升，进而导致IP0减小，从而使LDO电路的输出电压Vout快速恢复正常。经过Δt3时间的功率器件响应，此时输出电压Vout上升的值为ΔVpeak，有：
其中，Δt3为高频动态检测和放大电路Amp1的响应时间；
ΔVESR为输出电容器Co的等效串联电阻RESR上的压降值；
Imax为LDO电路的负载电流Io的最大值；
Co为输出电容器Co的电容值；
Cb为缓冲电容器Cb的电容值。
对比式(1)和式(4)、式(3)和式(5)，可以看出，当负载电流突然变大或者突然变小时，新方案的ΔVdip和ΔVpeak与LDO电路系统的带宽和压摆率无关，通过改善高频动态检测和放大电路Amp1的响应时间，可以很好地改善LDO电路的负载瞬态效应。同时，由于耦合电容器C1的作用，在负载为直流时，新加的瞬态反应电路不起作用，对整个环路没有影响。
为验证分析，在相同的仿真条件下(并且LDO电路的基本架构和器件尺寸完全相同)，对原LDO电路和本实施例LDO电路进行瞬态特性的仿真，图6和图7分别是负载突然从低到高和从高到低时瞬态响应的仿真波形(其中I_min为0mA、I_max为20mA)，由图6和图7的仿真波形可以看出，当LDO电路的负载突然变化时，相对于原LDO电路，本实施例LDO电路由于不受系统环路带宽和运算放大器EA摆率的影响，能快速响应输出电压的变化，迅速调节功率器件的驱动电压，使得输出电压快速达到一个新的平衡状态，本实施例LDO电路的瞬态特性明显好于原LDO电路的瞬态特性。因此，本发明的LDO电路可以显著改善瞬态特性，增加LDO电路的交流精度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种LDO电路，其特征在于，包括误差放大器(EA)、第一场效应管(MP0)、参考电压生成器(100)、反馈电路(200)、瞬态反应电路(400)以及放电电路(300)；LDO电路具有用于向负载提供输出电压的LDO输出端；
参考电压生成器(100)与误差放大器(EA)的反相输入端电性连接，用于给误差放大器(EA)提供参考电压(Vref)；第一场效应管(MP0)的栅极经瞬态反应电路(400)与误差放大器(EA)的输出端电性连接，第一场效应管(MP0)的源极接电源(VDD)，第一场效应管(MP0)的漏极分别电性连接LDO输出端以及用于在LDO输出端的负载电流增大时放电并用于在LDO输出端的负载电流减小时充电的放电电路(300)；反馈电路(200)电连接在误差放大器(EA)的同相输入端和第一场效应管(MP0)的漏极之间，用于给误差放大器(EA)提供反馈信号；瞬态反应电路(400)还与第一场效应管(MP0)的漏极电性连接，用于在LDO输出端的负载电流发生改变时响应输出电压的变化；
瞬态反应电路(400)包括缓冲器(buffer)，缓冲器(buffer)的输入端电性连接误差放大器(EA)的输出端，缓冲器(buffer)的输出端电性连接第一场效应管(MP0)的栅极；瞬态反应电路(400)还包括高频动态检测和放大电路(Amp1)，高频动态检测和放大电路(Amp1)的输出端电性连接第一场效应管(MP0)的栅极，高频动态检测和放大电路(Amp1)的输入端电性连接第一场效应管(MP0)的漏极；
高频动态检测和放大电路(Amp1)包括第二场效应管(MP1)、第三场效应管(MP2)、第四场效应管(MP3)、第五场效应管(MP4)、第六场效应管(Mn1)、第七场效应管(Mn2)、第八场效应管(Mn3)以及第九场效应管(Mn4)；第六场效应管(Mn1)的源极接地，还与第七场效应管(Mn2)的源极电连接；第六场效应管(Mn1)的栅极经第一保护电阻器(R4)与第七场效应管(Mn2)的栅极电连接；第六场效应管(Mn1)的栅极还与第六场效应管(Mn1)的漏极电连接；第六场效应管(Mn1)的漏极经第一偏置电阻器(R3)接电源(VDD)；第七场效应管(Mn2)的栅极经耦合电容器(C1)接高频动态检测和放大电路(Amp1)的输入端；第七场效应管(Mn2)的漏极与第二场效应管(MP1)的漏极电连接，第二场效应管(MP1)的漏极与第二场效应管(MP1)的栅极电连接；第二场效应管(MP1)的源极接电源(VDD)；第二场效应管(MP1)的源极还与第三场效应管(MP2)的源极电连接，第二场效应管(MP1)的栅极与第三场效应管(MP2)的栅极电连接；第三场效应管(MP2)的漏极与高频动态检测和放大电路(Amp1)的输出端电连接；第三场效应管(MP2)的源极还与第四场效应管(MP3)的源极电连接；第四场效应管(MP3)的源极还与第五场效应管(MP4)的源极电连接；第四场效应管(MP3)的栅极与第四场效应管(MP3)的漏极电连接；第四场效应管(MP3)的栅极还经第二保护电阻器(R5)与第五场效应管(MP4)的栅极电连接；第四场效应管(MP3)的漏极经第二偏置电阻器(R6)与第八场效应管(Mn3)的源极电连接；第五场效应管(MP4)的栅极经第二滤波电容器(C2)接高频动态检测和放大电路(Amp1)的输入端；第五场效应管(MP4)的漏极接第八场效应管(Mn3)的漏极；第八场效应管(Mn3)的漏极还与第八场效应管(Mn3)的栅极电连接；第八场效应管(Mn3)的源极接地；第八场效应管(Mn3)的源极还与第九场效应管(Mn4)的源极电连接；第八场效应管(Mn3)的栅极与第九场效应管(Mn4)的栅极电连接；第九场效应管(Mn4)的漏极接高频动态检测和放大电路(Amp1)的输出端；
缓冲器(buffer)包括第十场效应管(MQ)，第十场效应管(MQ)的源极经第三保护电阻器(R7)接电源(VDD)；第十场效应管(MQ)的源极还接缓冲器(buffer)的输出端；第十场效应管(MQ)的栅极接缓冲器(buffer)的输入端；第十场效应管(MQ)的漏极接地。
2.根据权利要求1所述的LDO电路，其特征在于，反馈电路(200)包括电性连接在误差放大器(EA)的同相输入端和第一场效应管(MP0)的漏极之间的第一分压电阻器(R1)以及电性连接在误差放大器(EA)的同相输入端和接地端之间的第二分压电阻器(R2)。
3.根据权利要求2所述的LDO电路，其特征在于，反馈电路(200)还包括电性连接在误差放大器(EA)的输出端和第一场效应管(MP0)的漏极之间的第一补偿电容器(Cc1)以及电性连接在第一场效应管(MP0)的栅极和第一场效应管(MP0)的漏极之间的第二补偿电容器(Cc2)。
4.根据权利要求1所述的LDO电路，其特征在于，放电电路(300)包括输出电容器(Co)和缓冲电容器(Cb)；输出电容器(Co)一端电性连接第一场效应管(MP0)的漏极，另一端接地；缓冲电容器(Cb)一端电性连接第一场效应管(MP0)的漏极，另一端接地。
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