CN110162130A - 一种电源抑制比和瞬态响应增强的ldo电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，包括LDO基础电路、PSR增强器和瞬态增强器，PSR增强器和瞬态增强器分别与LDO基础电路相连接。本发明利用PSR增强器在LDO基础电路中的功率管的栅端并联一个容值可调的负电容，该负电容可以将功率管的栅源动态电压降低为零，有效减小功率管的泄漏电流，抑制外部输入电源的噪声，提高LDO电路的噪声抑制性能，具有结构简单、电源抑制比高的优点。同时，本发明利用电压检测电路中的第一检测电容和第二检测电容实时检测LDO电路的输出端的电压变化，并通过内嵌的瞬态增强器为功率管的栅端提供充放电电流，有效地改善了LDO电路的瞬态响应速度，减小了LDO电路输出的过冲电压与俯冲电压。

Description

一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路

技术领域

本发明涉及低压差线性稳压器(LDO)领域，具体是一种电源抑制比(Power SupplyRejection,PSR)和瞬态响应增强的LDO电路。

背景技术

低压差线性稳压器(LDO)是电源管理系统的一个重要组成部分，它有效地实现开关电源转换器与射频电路及其他噪声敏感电路模块之间的噪声隔离。为提高LDO的电源抑制比，传统LDO通常外接一个片外大电容，通过电容器过滤电源噪声，并实现负反馈系统稳定，但片外电容器需要占据较大的印刷电路板面积，不利于系统集成与微型化设计。无片外电容LDO电路采用频率补偿技术实现系统环路稳定，消除片外电容器，但其具有较差的PSR特性与瞬态响应特性。

为了克服无片外电容LDO电路的这些缺点，目前已有接入RC滤波器、采用NMOS管作为功率管、级联多级LDO电路等设计优化技术。但接入RC滤波器和采用NMOS管作为功率管等技术都会增大LDO电路的电源压降，且无法改善瞬态响应特性；级联多级LDO电路的优化技术，可以改善瞬态响应特性，但电路功耗较大，且高频PSR性能没有明显改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，采用内嵌的PSR增强器和瞬态增强器，实现一种电源抑制比和瞬态响应增强的无片外电容LDO电路，提高LDO电路的电源抑制比，降低LDO电路的过冲电压与俯冲电压。

本发明所采用的技术方案为：一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，包括LDO基础电路、PSR增强器和瞬态增强器，所述的PSR增强器和所述的瞬态增强器分别与所述的LDO基础电路相连接；

所述的LDO基础电路包括第一误差放大器、功率管、负载电容、负载电阻、相位补偿电阻、第一分压电阻和第二分压电阻，所述的功率管的源端连接LDO电路的输入电源，所述的功率管的漏端和所述的第一分压电阻的一端分别连接LDO电路的输出端，所述的第一分压电阻的另一端连接所述的第二分压电阻的一端，所述的第二分压电阻的另一端接地，所述的相位补偿电阻的一端连接LDO电路的输出端，所述的相位补偿电阻的另一端连接所述的负载电容的一端，所述的负载电容的另一端接地；所述的负载电阻的一端连接LDO电路的输出端，所述的负载电阻的另一端接地；所述的第一误差放大器的负输入端连接基准电路的输入端，所述的第一误差放大器的正输入端连接所述的第一分压电阻的另一端，所述的第一误差放大器的输出端连接所述的功率管的栅端；

所述的PSR增强器包括第二误差放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和反馈电容，所述的第二误差放大器的负输入端分别连接所述的功率管的栅端和所述的第一反馈电阻的一端，所述的第一反馈电阻的另一端分别连接所述的第二反馈电阻的一端和所述的第二误差放大器的输出端，所述的第二反馈电阻的另一端分别连接所述的第二误差放大器的正输入端和所述的反馈电容的一端，所述的反馈电容的另一端接地；由基尔霍夫定律可知，所述的第二误差放大器的负输入端的等效电容为一个负数，其负容值C_N为：

其中，R_f1为所述的第一反馈电阻，R_f2为所述的第二反馈电阻，C_f为所述的反馈电容；

所述的瞬态增强器包括电压检测电路和充放电电路，所述的电压检测电路包括第一检测电容和第二检测电容，所述的充放电电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一电流源、第二电流源、第一电阻和第二电阻，所述的第一电流源的一端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第一电流源的另一端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第一NMOS管的漏端连接栅端，所述的第一NMOS管的源端接地，所述的第一PMOS管的源端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第一PMOS管的栅端连接漏端，所述的第一PMOS管的漏端连接所述的第二NMOS管的漏端，所述的第二NMOS管的栅端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第二NMOS管的源端接地，所述的第一检测电容的一端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第一检测电容的另一端连接LDO电路的输出端，所述的第二电流源的一端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第二电流源的另一端连接所述的第三NMOS管的漏端，所述的第三NMOS管的栅端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第三NMOS管的源端接地，所述的第四NMOS管的漏端连接所述的第三NMOS管的漏端，所述的第四NMOS管的漏端连接栅端，所述的第四NMOS管的源端连接所述的第二电阻的一端，所述的第二电阻的另一端接地，所述的第二PMOS管的源端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第二PMOS管的栅端连接所述的所述的第一PMOS管的栅端，所述的第二PMOS管的漏端分别连接所述的功率管的栅端和所述的第五NMOS管的漏端，所述的第五NMOS管的栅端连接所述的第四NMOS管的栅端，所述的第五NMOS管的源端分别连接所述的第一电阻的一端和所述的第二检测电容的一端，所述的第一电阻的另一端接地，所述的第二检测电容的另一端连接LDO电路的输出端。

由于第一检测电容的一端与第一NMOS管的栅端连接，第二检测电容的一端与第五NMOS管的源端连接，第一检测电容的另一端和第二检测电容的另一端分别与LDO电路的输出端连接，根据电容两端电压不能瞬间变化的原理，第一检测电容和第二检测电容将LDO电路的输出端的过冲/俯冲电压快速传输到充放电电路的输入端，充放电电路将过冲电压与俯冲电压信号分别转换为功率管的栅端的放电电流与充电电流。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明公开的一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，利用PSR增强器在LDO基础电路中的功率管的栅端并联一个容值可调的负电容(即第二误差放大器的负输入端的等效电容)，该负电容可以将功率管的栅源动态电压降低为零，有效减小功率管的泄漏电流，抑制外部输入电源的噪声，提高LDO电路的噪声抑制性能，具有结构简单、电源抑制比高的优点；

(2)本发明公开的一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，利用电压检测电路中的第一检测电容和第二检测电容实时检测LDO电路的输出端的电压变化，并通过内嵌的瞬态增强器为功率管的栅端提供充放电电流，有效地改善了LDO电路的瞬态响应速度，减小了LDO电路输出的过冲电压与俯冲电压。

附图说明

图1是本发明LDO电路的结构示意图；

图2是本发明LDO电路的PSR特性曲线。

图3是本发明LDO电路的瞬态响应特性。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，如图1所示，包括LDO基础电路1、PSR增强器2和瞬态增强器3，PSR增强器2和瞬态增强器3分别与LDO基础电路1相连接。

本实施例中，LDO基础电路1包括第一误差放大器EA、功率管MP、负载电容C_L、负载电阻R_L、相位补偿电阻R₃、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂，功率管MP的源端连接LDO电路的输入电源V_in，功率管MP的漏端和第一分压电阻R₁的一端分别连接LDO电路的输出端V_out，第一分压电阻R₁的另一端连接第二分压电阻R₂的一端，第二分压电阻R₂的另一端接地，相位补偿电阻R₃的一端连接LDO电路的输出端V_out，相位补偿电阻R₃的另一端连接负载电容C_L的一端，负载电容C_L的另一端接地；负载电阻R_L的一端连接LDO电路的输出端V_out，负载电阻R_L的另一端接地；第一误差放大器EA的负输入端连接基准电路的输入端V_REF，第一误差放大器EA的正输入端连接第一分压电阻R₁的另一端，第一误差放大器EA的输出端连接功率管MP的栅端。

本实施例中，PSR增强器2包括第二误差放大器AP、第一反馈电阻R_f1、第二反馈电阻R_f2和反馈电容C_f，第二误差放大器AP的负输入端分别连接功率管MP的栅端和第一反馈电阻R_f1的一端，第一反馈电阻R_f1的另一端分别连接第二反馈电阻R_f2的一端和第二误差放大器AP的输出端，第二反馈电阻R_f2的另一端分别连接第二误差放大器AP的正输入端和反馈电容C_f的一端，反馈电容C_f的另一端接地。

由基尔霍夫定律可知，第二误差放大器AP的负输入端的等效电容为一个负数，其负容值C_N为：

其中，R_f1为第一反馈电阻，R_f2为第二反馈电阻，C_f为反馈电容。

本实施例中，瞬态增强器3包括电压检测电路和充放电电路，电压检测电路包括第一检测电容C_c1和第二检测电容C_c2，充放电电路包括第一PMOS管P₁、第二PMOS管P₂、第一NMOS管N₁、第二NMOS管N₂、第三NMOS管N₃、第四NMOS管N₄、第五NMOS管N₅、第一电流源I_s1、第二电流源I_s2、第一电阻R_c1和第二电阻R_c2，第一电流源I_s1的一端连接LDO电路的输入电源V_in，第一电流源I_s1的另一端连接第一NMOS管N₁的栅端，第一NMOS管N₁的漏端连接栅端，第一NMOS管N₁的源端接地，第一PMOS管P₁的源端连接LDO电路的输入电源V_in，第一PMOS管P₁的栅端连接漏端，第一PMOS管P₁的漏端连接第二NMOS管N₂的漏端，第二NMOS管N₂的栅端连接第一NMOS管N₁的栅端，第二NMOS管N₂的源端接地，第一检测电容C_c1的一端连接第一NMOS管N₁的栅端，第一检测电容C_c1的另一端连接LDO电路的输出端V_out，第二电流源I_s2的一端连接LDO电路的输入电源V_in，第二电流源I_s2的另一端连接第三NMOS管N₃的漏端，第三NMOS管N₃的栅端连接第一NMOS管N₁的栅端，第三NMOS管N₃的源端接地，第四NMOS管N₄的漏端连接第三NMOS管N₃的漏端，第四NMOS管N₄的漏端连接栅端，第四NMOS管N₄的源端连接第二电阻R_c2的一端，第二电阻R_c2的另一端接地，第二PMOS管P₂的源端连接LDO电路的输入电源V_in，第二PMOS管P₂的栅端连接第一PMOS管P₁的栅端，第二PMOS管P₂的漏端分别连接功率管MP的栅端和第五NMOS管N₅的漏端，第五NMOS管N₅的栅端连接第四NMOS管N₄的栅端，第五NMOS管N₅的源端分别连接第一电阻R_c1的一端和第二检测电容C_c2的一端，第一电阻R_c1的另一端接地，第二检测电容C_c2的另一端连接LDO电路的输出端V_out。

LDO电路的电源抑制比特性主要受功率管MP漏电流i_ds影响，通过增大功率管MP的栅端电压V_g，减小功率管MP的栅端与源端的电压差V_gs，可以减小漏电流i_ds，提高电源抑制比特性。其中功率管MP的栅端电压V_g可以表示为

其中，C_gs与C_gd分别为功率管MP的栅源端寄生电容与栅漏端寄生电容，C_e为第一误差放大器EA的等效输出电容。

通过调节第一反馈电阻R_f1与第二反馈电阻R_f2，使负容值C_N满足下式条件，保证功率管MP的栅端电压V_g等于LDO电路的输入电源V_in，以减小功率管MP的漏电流，提高整个LDO电路的电源抑制比。

C_N＝-(C_e+C_gd)

基准电路为LDO电路提供稳定的输入参考电压，将该输入参考电压输出至第一误差放大器EA的负输入端，第一误差放大器EA将该参考电压与第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂构成的采样电阻网络产生的反馈电压进行比较，并将输出电压通过输入至功率管MP的栅端，同时，功率管MP的输出电压经采样电阻网络反馈给第一误差放大器EA的正输入端，由此构成一个串联电压负反馈网络，实现LDO电路输出电压的稳定。

在图1所示LDO电路中，当LDO电路的输出电流瞬间增大时，功率管MP无法及时提供足够的电流，LDO电路的输出电压将俯冲降低，根据电容两端电压不能突变的特性，第一检测电容C_c1的一端电压V₁和第二检测电容C_c2的一端电压V₂均相应降低。此时，第二NMOS管N₂的栅源电压与漏源电流相应降低，电流镜像后，第一PMOS管P₁的漏源电流I₁与第二PMOS管P₂的漏源电流I₂也将相应减小；与此同时，第五NMOS管N5的栅源电压与漏源电流I₅则相应增加。由于流入功率管MP栅端的电流是第二PMOS管P₂的漏源电流I₂与第五NMOS管N5漏源电流I₅的差值，因此，流入功率管MP的栅端的电流(I₂-I₅)此刻减小，导致功率管MP的栅端电压的下降与功率管MP的漏源电流的增加；功率管MP的漏源电流的增加将快速给负载电容C_L充电，促使LDO电路的输出电压恢复至设定值。

在图1所示LDO电路中，当LDO电路的输出电流瞬间减小时，功率管MP无法及时减小其漏源电流，LDO电路的输出电压将过冲增加，根据电容两端电压不能突变的特性，第一检测电容C_c1的一端电压V₁和第二电容C_c2的一端电压V₂均相应增加。此时，第二NMOS管N₂的栅源电压与漏源电流相应增加，电流镜像后，第一PMOS管P₁的漏源电流I₁与第二PMOS管P₂的漏源电流I₂也将相应增加；与此同时，第五NMOS管N5的栅源电压与漏源电流I₅则相应减小。由于流入功率管MP的栅端的电流是第二PMOS管P₂的漏源电流I₂与第五NMOS管N5漏源电流I₅的差值，因此，流入功率管MP的栅端的电流(I₂-I₅)此刻增加，导致功率管MP的栅端电压的增加与功率管MP的漏源电流的减小；功率管MP的漏源电流的减小与负载电阻R_L的放电，将快速使负载电容C_L放电，促使LDO电路的输出电压恢复至设定值。

上述实施例的LDO电路的PSR特性曲线见图2。从图2所示的PSR特性曲线可以看出，该LDO电路的PSR在0.1Mz-10MHz频段范围内小于-30dB，相对于不带PSR增强器的LDO电路，其1MHz与10MHz的PSR特性分别改善了32dB与25dB。上述实施例的LDO电路的瞬态响应特性曲线见图3。从图3所示的特性曲线可以看出，该LDO电路的过冲电压与俯冲电压分别为76mV与20mV，相对于不带瞬态增强器的LDO电路，过冲电压与俯冲电路分别改善了106mV与292mV。

本发明采用片内PSR增强器在LDO功率管的栅端引入容值可调的负电容，减小功率管高频漏电流，有效地改善LDO电路的电源抑制比特性；并通过增加检测电容实时检测LDO电路输出电压波动，改善了LDO电路的瞬态响应特性。相对于其他无片外电容的LDO电路，本发明具有电源抑制比高、过冲电压与俯冲电压低的特点。

Claims (1)

1.一种电源抑制比和瞬态响应增强的LDO电路，其特征在于包括LDO基础电路、PSR增强器和瞬态增强器，所述的PSR增强器和所述的瞬态增强器分别与所述的LDO基础电路相连接；

所述的LDO基础电路包括第一误差放大器、功率管、负载电容、负载电阻、相位补偿电阻、第一分压电阻和第二分压电阻，所述的功率管的源端连接LDO电路的输入电源，所述的功率管的漏端和所述的第一分压电阻的一端分别连接LDO电路的输出端，所述的第一分压电阻的另一端连接所述的第二分压电阻的一端，所述的第二分压电阻的另一端接地，所述的相位补偿电阻的一端连接LDO电路的输出端，所述的相位补偿电阻的另一端连接所述的负载电容的一端，所述的负载电容的另一端接地；所述的负载电阻的一端连接LDO电路的输出端，所述的负载电阻的另一端接地；所述的第一误差放大器的负输入端连接基准电路的输入端，所述的第一误差放大器的正输入端连接所述的第一分压电阻的另一端，所述的第一误差放大器的输出端连接所述的功率管的栅端；

所述的PSR增强器包括第二误差放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和反馈电容，所述的第二误差放大器的负输入端分别连接所述的功率管的栅端和所述的第一反馈电阻的一端，所述的第一反馈电阻的另一端分别连接所述的第二反馈电阻的一端和所述的第二误差放大器的输出端，所述的第二反馈电阻的另一端分别连接所述的第二误差放大器的正输入端和所述的反馈电容的一端，所述的反馈电容的另一端接地；由基尔霍夫定律可知，所述的第二误差放大器的负输入端的等效电容为一个负数，其负容值C_N为：

其中，R_f1为所述的第一反馈电阻，R_f2为所述的第二反馈电阻，C_f为所述的反馈电容；

所述的瞬态增强器包括电压检测电路和充放电电路，所述的电压检测电路包括第一检测电容和第二检测电容，所述的充放电电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一电流源、第二电流源、第一电阻和第二电阻，所述的第一电流源的一端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第一电流源的另一端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第一NMOS管的漏端连接栅端，所述的第一NMOS管的源端接地，所述的第一PMOS管的源端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第一PMOS管的栅端连接漏端，所述的第一PMOS管的漏端连接所述的第二NMOS管的漏端，所述的第二NMOS管的栅端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第二NMOS管的源端接地，所述的第一检测电容的一端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第一检测电容的另一端连接LDO电路的输出端，所述的第二电流源的一端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第二电流源的另一端连接所述的第三NMOS管的漏端，所述的第三NMOS管的栅端连接所述的第一NMOS管的栅端，所述的第三NMOS管的源端接地，所述的第四NMOS管的漏端连接所述的第三NMOS管的漏端，所述的第四NMOS管的漏端连接栅端，所述的第四NMOS管的源端连接所述的第二电阻的一端，所述的第二电阻的另一端接地，所述的第二PMOS管的源端连接所述的LDO电路的输入电源，所述的第二PMOS管的栅端连接所述的所述的第一PMOS管的栅端，所述的第二PMOS管的漏端分别连接所述的功率管的栅端和所述的第五NMOS管的漏端，所述的第五NMOS管的栅端连接所述的第四NMOS管的栅端，所述的第五NMOS管的源端分别连接所述的第一电阻的一端和所述的第二检测电容的一端，所述的第一电阻的另一端接地，所述的第二检测电容的另一端连接LDO电路的输出端。