CN110794907A - 瞬态增强型ldo电路、cmos驱动器电源电路及激光器系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方式涉及一种瞬态增强型LDO电路、CMOS驱动器电源电路及激光器系统。该瞬态增强型LDO电路包括：放大器，所述放大器的其中一个输入端可接收参考电压；功率调整管，耦合到所述放大器的输出，并通过输出端输出所述瞬态增强型LDO电路的输出电压；分压器，耦接所述功率调整管，将所述输出电压耦合到所述放大器的另一个输入端；和灌电流吸收电路，耦接至所述功率调整管的输出端，适于根据所述输出电压的波动，导通并吸收对所述LDO电路的灌电流。从而，提供了一种性能改善的瞬态增强型LDO电路。

Description

瞬态增强型LDO电路、CMOS驱动器电源电路及激光器系统

技术领域

本公开内容总体上涉及低压差线性稳压器(LDO)，更具体地，涉及一种瞬态增强型LDO电路、CMOS驱动器的电源电路以及激光器系统。

背景技术

低压差线性稳压器(LDO)，由于其输出噪声低、压降小、成本低等优点，在便携式电子产品中得到了越来越广泛的应用。在由LDO稳压的高速数字电路中，主频越来越高，甚至达到几GHz。数字电路内电平的瞬间跳变会引起电流的瞬间跳变。把数字电路看成是LDO的负载，负载电流的瞬间跳变会对LDO的输出电压产生影响。LDO的瞬态响应包含有线性瞬态响应和负载瞬态响应。线性瞬态响应指的是输入电压阶跃突变时，LDO输出电压的响应情况；负载瞬态响应指的是负载电流阶跃突变时，LDO的输出响应情况。

随着电子行业的发展与社会的进度，持续存在着对LDO电路的瞬态响应进行完善的需求。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

本公开描述的技术方案的目的之一在于提供一种瞬态增强型LDO电路，其能够改善LDO电路的瞬态响应。

根据本公开内容的一个方面，提供一种瞬态增强型LDO电路，包括：放大器，所述放大器的其中一个输入端可接收参考电压；功率调整管，耦合到所述放大器的输出，并输出所述瞬态增强型LDO电路的输出电压以驱动负载；分压器，耦接所述功率调整管，将所述功率调整管的输出所述输出电压的端子耦合到所述放大器的另一个输入端；和灌电流吸收电路，耦接至所述放大器和所述功率调整管的输出所述输出电压的端子所述输出电压，并根据所述输出电压的波动，导通并吸收所述输出电压的灌电流。

在一个实施例中，灌电流吸收电路可以包括比较器和由所述比较器驱动的下拉NMOS管，其中所述比较器的一个输入端接收反映所述输出电压的波动的输入信号，所述比较器的另一个输入端接收与反映所述输出电压的波动的输入信号相对应的阈值信号，所述下拉NMOS管耦接到所述功率调整管的输出端及所述比较器，其中当所述输出电压波动时，所述下拉NMOS管导通并吸收所述输出电压的灌电流；当所述输出电压未发生波动时，所述下拉NMOS管关闭。

进一步地，比较器可以是电流比较器，所述比较器的所述一个输入端连接到所述放大器的中间级，以接收反映所述输出电压的波动的电流，所述另一个输入端连接到参考电流信号，输出端连接到所述下拉NMOS管的栅极。

进一步地，放大器的反相输入端用于连接参考电压，同相输入端通过所述分压器耦合到所述功率调整管的输出端，所述放大器输出端通过缓冲器连接至所述功率调整管的栅极。分压器为电阻分压器，包括串联的第一电阻和第二电阻，所述功率调整管的源极用于连接电压源(VDD)，所述功率调整管的漏极输出所述输出电压，并通过所述分压器接地。下拉NMOS管的漏极耦接至所述功率调整管的漏极，源极接地。

在一个实施例中，该瞬态增强型LDO电路还可以包括与所述分压器并联的第一电容和第三电阻。

进一步地，放大器(A1)可以采用折叠式共源共栅结构。

在一个实施例中，放大器(A1)包括：第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、和第四NMOS管(MN4)。第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)构成差分输入对管，第一PMOS管(MP1)的栅极用作误差放大器(A1)的反相输入端，用于连接参考电压，第二PMOS管(MP2)的栅极用作误差放大器(A1)的同相输入端。第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)构成共源共栅电流源，第四PMOS管(MP4)的漏极连接到第一PMOS管(MP1)的漏极和第二PMOS管(MP2)的漏极。第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)和第四NMOS管(MN4)构成共源共栅电流源，第二NMOS管(MN2)的源极连接至第一NMOS管(MN1)的漏极并且连接到第二PMOS管(MP2)的漏极，第四NMOS管(MN4)的源极与第三NMOS管(MN3)的漏极互连，连接到第一PMOS管(MP1)的漏极，并且用作第一中间输出端。第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)和第八PMOS管(MP8)构成共源共栅电流镜负载，第五PMOS管(MP5)和第七PMOS管(MP7)的栅极互连，并且连接到第二NMOS管(MN2)的漏极，并且用作第二中间输出端；第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的栅极互连，用作第三中间输出端。第八PMOS管(MP8)和第四NMOS管(MN4)的漏极互连，用作误差放大器(A1)的输出端。

在一个实施例中，比较器可以包括：第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)。第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的阈值电流端。第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的信号电流端。第十PMOS管(MP10)的漏极连接至第六NMOS管(MN6)的漏级并且用于连接至下拉NMOS管(MN0)的栅极。

在本公开的另一个方面，还提供一种CMOS驱动器的电源电路，其包括：前述任一项所述的瞬态增强型LDO电路；以及电压型数模转换器，与LDO电路连接，被配置为将接收的数控输入转换为模拟电压，作为所述LDO电路的误差放大器(A1)的参考电压。

在本公开的又一个方面，还提供一种激光器系统，其包括：前述的电源电路；以及激光器，与所述电源电路连接。

本公开的实施方式提出了一种瞬态增强型LDO电路结构，通过与电源结合，可以用于为CMOS驱动器供电。此LDO可以通过连接片外大电容实现高速电荷抽拉或注入，并且可以通过瞬态响应增强技术来实现将LDO输出电容上的电压过冲快速恢复。

在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路的结构框图；

图2示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路用于为CMOS器件供电的电路结构示意图；

图3示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路的实现电路图；

图4示出了根据图3所示的电路的各节点的电流或电压的仿真图形；

图5示出了根据图3所示的电路的在不同参数下各节点的电流或电压的对比仿真图形；和

图6示出了根据本发明的一种激光器系统。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

现在将详细参照本发明的若干实施例，在附图中示出了其示例。应当注意到，只要可行，在附图中可以使用相似或者相同的附图标记，并且它们可以用以指示相似或者相同的功能。附图仅出于说明的目的而描述本发明的若干实施例。本领域技术人员将很容易从下面的描述中认识到此处说明的结构和方法的备选实施例可以在不脱离此处描述的实施例的原理的情况下而被使用。只要可行，下面所述的方法步骤未必按所例示的顺序执行。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现预定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也应当注意，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。例如，本公开使用术语“耦接”，表示两个端子之间的连接方式可以是直接连接、也可以是通过一个中间媒介间接连接，可以是电气方面的有线连接、也可以是无线连接。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

需要注意的是，除非另有说明，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

以下结合附图对本公开的具体实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

实施例一

在激光器中，经常配合使用LDO电路来为CMOS驱动器提供电源，通过控制LDO电路的输入参考电压V_REF，改变LDO电路的输出电平V_OUT，实现CMOS驱动器输出的电平可调节。通过CMOS驱动器输出可调节的电平，控制GaN开关管的栅极，实现GaN开关管的漏极输出电流的大动态调制，而通过调制GaN漏极输出电流，实现激光二极管光强的调制。

理想的情况下，根据某一时刻激光二极管光强需求确定好V_REF后，V_OUT根据V_REF被线性地确定，然后一直稳定的保持于某一数值，从而对激光二极管的电流(光强)进行调制。但是，由于CMOS驱动器迅速地从V_OUT端口抽出或灌入电流，V_OUT将无法理想稳定。

目前，在V_OUT从大变小(对LDO而言对应是拉电流)时，可以通过外接电容Co提供很大的拉电流。主要的问题在于V_OUT从小变大(对LDO而言，对应灌电流)的时候，就需要迅速的释放下拉掉一部分电流。

本发明中，通过增加灌电流吸收电路，具体的是通过能够感知电压波动的电流比较器和下拉NMOS管，能够快速有效地下拉一部分电流。

图1示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路100的结构框图。如图1所示，瞬态增强型LDO电路100包括：误差放大器A1、功率调整管MP0、包括电阻R1和R2的分压器、以及灌电流吸收电路105。其中，误差放大器A1的其中一个输入端(如图1中所示，例如为其反相输入端)用于接收参考电压V_REF，输出端耦接到功率调整管MP0的栅极，用于驱动功率调整管MP0。功率调整管MP0的漏极作为该瞬态增强型LDO电路100的输出端，输出电压V_OUT，以驱动与其连接的负载，例如激光雷达的CMOS驱动器。功率调整管MP0的电压输出端(即漏极)还通过包括电阻R1和R2的分压器耦合到误差放大器A1的同相输入端，从而将电阻R1上的分压反馈到误差放大器A1的同相输入端。灌电流吸收电路105耦接到功率调整管MP0的输出端，即耦接到功率调整管MP0漏极的输出电压，用于根据输出电压V_OUT的波动(尤其是V_OUT从小变大时)而导通并吸收输出电压V_OUT波动引起的灌电流。输出电压V_OUT的波动通常是由负载电流的变化需求引起的。

图1中示出了灌电流吸收电路105仅耦接到功率调整管MP0的漏极，本领域技术人员容易理解，灌电流吸收电路105还可包括用于释放灌电流的通路，例如接地通路，从而在导通之后，将灌电流迅速导入接地通路并释放掉。

下面描述图1所示的瞬态增强型LDO电路100的工作原理。

误差放大器A1为理想的放大器，因此其同相输入端与反相输入端的电压相等。误差放大器的反相输入端的基准电压V_REF经过误差放大器A1负向放大、功率调整管MP0反向放大后，输出电压V_OUT。V_OUT通过R2和R1的分压反馈到误差放大器A1的同相输入端。整个反馈环路为负向放大。误差放大器A1的同相输入端和反相输入端保持电压相等，即V_N＝V_P＝V_REF，故LDO的输出V_OUT为：

当输出电压V_OUT发生波动时，如上所述，灌电流吸收电路105可根据输出电压V_OUT的波动而导通，并吸收对所述LDO电路的灌电流。灌电流吸收电路105例如耦接到误差放大器A1的其中一个端子(比如同相输入端)或管脚，从而当输出电压V_OUT发生波动时，输出电压V_OUT通过分压器(R1，R2)分压，导致误差放大器A1的同相输入端的电压V_P发生超过一定预设的阈值的波动。灌电流吸收电路105通过与其连接的误差放大器A1的其中一个端子或管脚，能够感测所述输出电压V_OUT的波动进而导通，从而快速吸收该输出电压V_OUT波动引起的灌电流。根据一个优选实施例，灌电流吸收电路105例如连接到误差放大器A1的同相输入端，以直接由输出电压V_OUT的波动而触发导通。本领域技术人员也可以构思，将灌电流吸收电路105连接到误差放大器A1的其他管脚。

当将LDO电路用于驱动激光雷达的CMOS驱动器时，要求LDO电路具有在极短时间内较高的电荷抽拉或注入能力，例如要求在2ns内提供5.6nC的电荷抽拉能力，采用大小为80pF的片内电容的LDO结构是无法实现的，因为片内电容的自身的电荷量0.448nC小于5.6nC(Q＝80pF*5.6V＝0.448nC)。因此需要采用包括片外电容的LDO结构实现CMOS驱动器的供电。采用片外电容的LDO电路，在瞬态抽拉或注入电荷后，片外电容上的电压需要通过LDO电路的其他部分为其充电或放电。例如当被CMOS驱动器灌入大电荷时，LDO片外电容上积累了大量的电荷，需要瞬态增强LDO电路进行快速放电来降低电压。本公开上述技术方案中的灌电流吸收电路105提供了一个有效的快速放电的通道。当输出电压V_OUT波动达一定阈值时，导致灌电流吸收电路105导通，为灌电流提供一个快速的放电通道，迅速降低片外电容上的电荷和电压。采用灌电流吸收电路105来进行放电，相比于仅仅通过分压器(R1，R2)来进行放电的方式，放电速度明显更快。

本领域技术人员容易理解，本发明中，灌电流吸收电路105可根据输出电压V_OUT的波动而导通，包括多种具体实现的方式。例如，灌电流吸收电路105可感测由于输出电压V_OUT的波动而导致的放大器A1的一个支路中电流的变化而导通，也可以直接感测输出电压V_OUT的波动而导通，也可以通过感测V_OUT的波动导致的其他电路参数的变化而导通。换言之，输出电压V_OUT的波动将触发灌电流吸收电路105的导通。这些都在本发明的保护范围内。

应当理解，图1中的器件选型以及下文中的器件选型仅是示例性的，本领域技术人员可以基于本公开的发明构思并结合实际需求，可以灵活选择合适规格和型号的元器件并合理连接以实现本发明实施方式的目的，其均应在本发明的保护范围之内。

实施例二

图2示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路100用于为CMOS驱动器供电的电路结构示意图，图2中并且示出了灌电流吸收电路105的一个优选的实施例。

图2中，U0代表电压模数转换器DAC，通过数字控制码DIN来输出参考电压V_REF，U1代表瞬态增强型LDO电路100，包括误差放大器A1、缓冲级A2、功率调整管MP0、包括电阻R2和R1的分压器、外接电容Co、与Co串联的补偿电阻R3、电流比较器A3、和下拉NMOS管MN0，U2代表CMOS驱动器，其负载电容为CL。瞬态增强型LDO电路100用于为CMOS驱动器U2供电。

参考图2，灌电流吸收电路105包括比较器A3和由该比较器驱动的下拉NMOS管MN0。其中，比较器A3的同相输入端用于接收反映输出电压V_OUT的输入信号，比较器A3的反相输入端用于接收与反映输出电压V_OUT的输入信号相对应的阈值信号I_th。其中，下拉NMOS管耦接到功率调整管MP0的输出电压V_OUT输出端子(即功率调整管MP0的漏极)和比较器A3之间，下拉NMOS管MN0源极接地。灌电流吸收电路105被配置为当输出电压发生一定阈值的波动时，使得下拉NMOS管导通并吸收输出电压引起的灌电流；并且当输出电压未发生超过一定阈值的波动时，使得下拉NMOS管关闭。在图2中，电容Co为外接电容，电阻R3为补偿电阻。

根据本公开的一个优选实施例，比较器A3为电流比较器，其反相输入端接收阈值电流信号，同相输入端接收能反应输出电压V_OUT波动的电流信号(例如图3和图4中第九PMOS管MP9所在支路的电流)。比较器A3接收电流信号，与阈值电流信号比较，当二者存在一定差值时，输出电压V_GNO翻转为高电平，从而使得下拉NMOS管MN0导通，为灌电流提供快速的放电通道。

根据本发明的一个优选实施例，瞬态增强型LDO电路100的误差放大器A1的反相输入端用于连接到电压型数模转换器U0。电压型数模转换器U0可接收数字控制码DIN，并根据不同的数字控制码DIN，产生不同的基准电压V_REF。由于误差放大器A1是理想的误差放大器，因此其同相输入端与反相输入端电压相同，均为V_REF。分压器(R1，R2)连接到误差放大器A1的同相输入端，因此电阻R1的电压同样为V_REF，根据分压器的计算公式，V_OUT＝V_REF*(R1+R2)/R1。因此通过改变电压型数模转换器U0的数字控制码DIN，可改变本发明的瞬态增强型LDO电路100的输出电压V_OUT。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，瞬态增强型LDO电路100还包括连接在所述误差放大器A1与功率放大管MP0之间的缓冲级A2，用于缓冲误差放大器A1的输出电压，提高带负载的能力。另外，为保证LDO具有较小的漏失电压，功率调整管MP0的宽长比通常取值较大，范围在1000～100000之间，故功率调整管MP0的栅极具有较大的寄生电容。采用缓冲级A2，可以避免功率调整管MP0栅极大电容拉低误差放大器A1的输出极点，采用缓冲级A2将误差放大器A1的输出和功率调整管MP0的栅极隔离。优选的，缓冲级A2具有较小的输入电容和较低的输出阻抗，输入电容例如在100fF～1pF之间，输出阻抗例如在10～200Ω之间，使得增加缓冲级A2后，误差放大器A1的输出极点变高，而缓冲级A2输出和功率调整管MP0的输入电容构成的极点则远大于单位增益带宽。

图2的电路工作原理如下。当输出电压V_OUT发生波动时，通过分压器(R1，R2)，在误差放大器A1的同相输入端处产生电压波动。比较器A3的同相输入端接收反应输出电压波动的信号，诸如电流信号，并与阈值电流信号I_th进行比较，当二者出现一定差值时，比较器A3的输出V_GN0翻转为高电平，使得下拉NMOS管MN0导通。下拉NMOS管MN0导通之后，能够迅速吸收来自外部负载的灌电流。

在本公开中的一个实施方式中，瞬态增强型LDO电路用于为CMOS器件供电，CMOS器件例如为激光雷达发射电路中的CMOS驱动器。

在激光雷达发射电路中，需要CMOS驱动器来驱动高功率的GaN(氮化镓)开关管。GaN开关管用于为激光二极管提供瞬态大电流。GaN开关管具有非常高的输入电容(例如80pF-1.5nF)和栅极电荷(例如大约0.5-5nC)，其栅极控制电压一般为0-10V，因此在CMOS驱动器转换瞬间(从低到高电平，或从高到低电平)，需要对GaN开关管注入或抽出的电荷量达数十nC。CMOS驱动器注入或抽出的电荷量来自CMOS驱动器的供电电源端，因此要求电源端的LDO电路具有瞬态提供抽拉或注入大电荷的能力。

根据本发明的实施方式，采用瞬态增强型LDO电路100为CMOS驱动提供电源，通过控制输入参考电压V_REF，改变瞬态增强型LDO电路100的输出电平，实现CMOS驱动器输出高电平可调节。通过不同的CMOS驱动器高电平来控制GaN开关管栅极，实现GaN开关漏极输出电流的大动态调制，通过调制GaN漏极输出电流，实现激光二极管光强调制。

激光雷达的CMOS驱动器的输出信号前沿一般非常快，其范围为1ns-3ns左右，因此要求LDO在1.9ns左右的时间内提供高达数十nC的电荷，假设LDO为CMOS驱动器提供的电流波形为1ns前沿和1ns后沿的三角波形，则电流峰值为数安时电流脉冲的电荷量为数十nC。

在2ns内提供数十nC的电荷抽拉能力，采用片内电容的LDO结构无法实现，因为片内电容的自身的电荷量小于数十nC。因此需要采用片外电容的LDO结构实现CMOS驱动器的供电。采用片外电容的LDO电路，在瞬态抽拉或注入电荷后，电容上的电压需要通过LDO电路的其他部分为其充电或放电，将电荷量补充回来。通过本发明图2所示的瞬态增强型LDO电路100，能够在输出电压V_OUT发生波动时，例如当存在大的灌电流时，比较器A3能够使得下拉NMOS管MN0导通，迅速地吸收灌电流，其速度远快于仅仅通过电阻R1和R2吸收灌电流的速度。

图2所示的电路的基本工作原理如下，其中以实线箭头形式示出了LDO电路的拉电流的流向，而以虚线箭头形式示出了LDO电路的灌电流的流向。

通过控制数字控制码DIN的码值，可以使得DAC U0输出参考电压V_REF至误差放大器A1的反相输入端，V_REF经过误差放大器A1负向放大、缓冲级A2同相跟随、功率调整管MP0反向放大后，通过R2和R1的分压反馈到A1的同相输入端。对于DAC输出端来说，整个反馈环路为负向放大。因此A1的同相输入端和反相输入端可以保持电压相等，即VN＝VP＝VREF，故LDO的输出V_OUT为：

V_OUT通过外接电容Co来保证LDO可以提供瞬态的大电荷(数十nC),因此Co的取值为使得其稳态时电荷量远大于数十nC，例如在16nF以上。在输出选取大电容时，选择V_OUT的输出极点为主极点，为保证相位裕度，在V_OUT和Co之间串联小电阻R3，使得R3和Co形成的零点可以对误差放大器输出端的次级点进行相位补偿，最终使得相位裕度大于45°。

为保证LDO具有较小的漏失电压，功率调整管MP0通常取值较大，故MP0的栅极具有较大的寄生电容。因此，为了避免MP0栅极大电容拉低误差放大器A1的输出极点，采用缓冲级A2将误差放大器A1的输出和MP0栅极隔离。缓冲器A2被设置为具有较小的输入电容和较低的输出阻抗，使得增加A2后，A1的输出极点变高，而A2输出和MP0的输入电容构成的极点则远大于单位增益带宽，通过A2还需要具有较小的功耗。

当CMOS驱动器工作时，U2的电源通过LDO U2的输出V_OUT提供，工作在ns级上升沿(或下降沿)的U2，瞬间从V_OUT抽取(或注入)尖峰电流脉冲，电流脉冲的宽度与U2的上升沿(或下降沿)相当。电流脉冲的电荷量取决于U2输出的电压幅度ΔV和U2的负载电容CL，当考虑极端条件时，U2抽拉的电荷量为数十nC，即LDO U2的抽拉电流能力能够满足激光雷达的CMOS驱动器的要求。

实施例三

参考图3，其示意性示出了根据本发明一个实施方式的瞬态增强型LDO电路的一种具体实现的电路结构示意图。参考图3，可以将U2的电源端等效为理想电流源I0。

在如图3所示的本发明技术方案的一种实现电路图中，误差放大器A1采用折叠式共源共栅结构，包括八个PMOS管，即第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8。误差放大器A1并且包括四个NMOS管MN1-MN4，即第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、和第四NMOS管MN4。

第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2构成差分输入对管，第一PMOS管MP1的栅极用作误差放大器A1的反相输入端，用于连接参考电压V_REF，第二PMOS管MP2的栅极用作误差放大器A1的同相输入端。第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4构成共源共栅电流源，第四PMOS管MP4的漏极连接到第一PMOS管MP1的漏极和第二PMOS管MP2的漏极。

第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4构成共源共栅电流源。第二NMOS管MN2的源极连接至第一NMOS管MN1的漏极并且连接到第二PMOS管MP2的漏极。第四NMOS管MN4的源极与第三NMOS管MN3的漏极互连，连接到第一PMOS管MP1的漏极，并且用作第一中间输出端。

第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8构成共源共栅电流镜负载。第五PMOS管MP5和第七PMOS管MP7的栅极互连，并且连接到第二NMOS管MN2的漏极，并且用作第二中间输出端。第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的栅极互连，用作第三中间输出端。

第八PMOS管MP8和第四NMOS管MN4的漏极互连，用作误差放大器A1的输出端。

在图3中，Vbp1和Vbp2分别代表第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4的电压偏置。Vbn1和Vbn2分别代表第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2的电压偏置。NMOS管MN1的电流为PMOS管MP2和MP5的电流之和，NMOS管MN3的电流为PMOS管MP1和MP7的电流之和，PMOS管MP3的电流为PMOS管MP1和PMOS管MP2的电流之和。

缓冲级A2可以由PMOS管MP11和PMOS管MP12(未示出)组成的源极跟随器结构实现。

在如图3所示的本发明技术方案的一种实现电路图中，比较器A3是通过镜像误差放大器A1中的共源共栅的负载电流镜结构，其包括：第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)。第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的阈值电流端。第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的信号电流端。第十PMOS管(MP10)的漏极连接至第六NMOS管(MN6)的漏级并且用于连接至下拉NMOS管(MN0)的栅极。

在另一种实现中，电流比较器A3的输出可以通过NMOS管MN7、NMOS管MN8和R4组成的源极跟随器(未示出)连接至下拉NMOS管MN0的栅极。

下拉NMOS管MN0的漏极连接至LDO输出端V_OUT，R2和R1的分压反馈到误差放大器的同相输入端，即PMOS管MP2的栅极。

图4示出了根据图3所示的电路的各节点的电流或电压的仿真图形，其中示出了在一次电流源I0向LDO注入电荷的过程中各关键节点的波形图。图4所示的波形，从上到下依次为电流源I0的电流波形、下拉NMOS管MN0的栅极电压波形、下拉NMOS管MN0的漏极电流波形、LDO的外接电容的电压V_CAP波形。

电流源I0的电流波形可以通过理想源提供，其上升沿为1ns、下降沿为1ns、峰值为5A，故总注入电荷量为5.6nC，注入时刻为60us。设置DAC输出电压V_REF为2V，LDO电源VDD＝5.6V，反馈网络电阻R2＝R1，例如为几十kΩ，LDO的环路带宽1MHz，则V_OUT在稳态下输出值为4V。当瞬间注入大电荷至LDO输出端时，由于LDO的环路带宽较小，V_OUT输出端来不泄放，V_OUT会从当前值(4V)升高，因此反馈电阻网络R2和R1的分压也会升高，从而导致误差放大器A1的正相输入端VP电压增加，即MP2所在支路的电流减小，导致MP9所在支路的电流增加超过MN5的电流阈值，电流比较器翻转，比较器输出电压脉冲信号至MN0的栅极，MN0栅极电压升高后，MN0的漏极从V_OUT端抽取电流，使得LDO输出端电压V_OUT以及片外电容的电压V_CAP的电压值下降。从I0注入电荷至MN0管开启，延迟时间约为60ns，MN0漏极输出的最大电流为86mA。在MN0放电结束后，V_CAP上的电压过冲值从86.5mV降低为15mV，即将83％的电荷量通过MN0抽走，从而实现LDO瞬态下拉增强。

图5示出了根据图3所示的电路的在不同参数下各节点的电流或电压的对比仿真图形，其中在同一示窗内示出了在两种参数下V_OUT和V_CAP的瞬态下拉增强效果的对比图形，第一种参数为没有采用本申请中的下拉增强电路结构所呈现出的波形结果，第二种参数为采用了图4所示的电路所呈现出的波形结果。

图5所示出的从上之下的波形依次为，电流源I0的电流波形，LDO输出端V_OUT的电压波形，以及LDO输出端外接电容上V_CAP的电压波形。

LDO输出端V_OUT的电压波形包括分别以VOUT wo MN0和VOUT wi MN0表示的波形，VOUT wo MN0表示没有采用本申请中的下拉增强电路结构所呈现出的波形，在图5中为虚线所表示。VOUT wi MN0表示采用了本申请中的下拉增强电路结构后的波形，在图5中为实线所表示。

LDO输出端外接电容上V_CAP的电压波形分别以VCAP wo MN0和VCAP wi MN0表示的波形，VCAP wo MN0表示没有采用本申请中的下拉增强电路结构的波形，在图5中为虚线所表示。VCAP wi MN0表示采用了本申请中的下拉增强电路结构后的波形，在图5中为实线所表示。

如图5所示，其中I0电流源以脉冲的形式在10us时刻向LDO抽取数十nC电荷量、在60us时刻向LDO注入5.6nC电荷量。由于采用了缓冲级A2的隔离，MP0的栅极可以快速抽拉或注入电荷。在10us时刻注入5.6nC的电荷量时，V_OUT和V_CAP均可以较快的恢复至初始值，花费的时间约为9us，V_CAP的最大过冲约为20mV。而在60us时刻，当没有使用本申请中的下拉增强电路结构时，V_CAP的恢复时间约为87us，最大过冲约为206mV；当使用了本申请中的下拉增强电路结构后，V_CAP的恢复时间可以缩短为10us，最大过冲约为80mV。

因此，采用本文发明的瞬态增强电路后，V_CAP的恢复时间可以缩小为原来的11％左右，最大过冲衰减为原来的40％以下。从而，根据本发明实施方式的下拉增强电路结构的效果十分显著。

本公开的第二方面还涉及一种CMOS驱动器的电源电路，包括：前述任一项的瞬态增强型LDO电路；以及电压型数模转换器，与LDO电路连接，被配置为将接收的数控输入转换为模拟电压，作为所述LDO电路的误差放大器(A1)的参考电压。

图6示出了根据本公开的第三方面的一种激光器系统200，包括前述电源电路。如图6所示，激光器系统200包括前述的电源电路、CMOS驱动器U2、GaN开关管U5、激光二极管LD(激光器)，其中该电源电路根据本发明的瞬态增强型LDO电路100以及电压型数模转换器U0，用于作为所述CMOS驱动器的电源，为CMOS驱动器提供驱动电压V_OUT。CMOS驱动器驱动GaN开关管，GaN开关管为激光二极管提供瞬态大电流，从而驱动激光二极管发射出激光。

应当理解，前述的各种示例性方法可以利用各种方式来实现，例如，在某些实施方式中，前述各种方法可以利用软件和/或固件模块来实现，也可以利用硬件模块来实现。现在已知或者将来开发的其他方式也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。特别地，除硬件实施方式之外，本发明的实施方式可以通过计算机程序产品的形式实现。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的装置和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的装置及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中实现。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。

虽然已经参考目前考虑到的实施方式描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种瞬态增强型LDO电路，包括：

放大器，所述放大器的其中一个输入端可接收参考电压；

功率调整管，耦合到所述放大器的输出，并通过输出端输出所述瞬态增强型LDO电路的输出电压；

分压器，耦接所述功率调整管，将所述输出电压耦合到所述放大器的另一个输入端；和

灌电流吸收电路，耦接至所述功率调整管的输出端，适于根据所述输出电压的波动，导通并吸收对所述LDO电路的灌电流。

2.根据权利要求1所述的瞬态增强型LDO电路，其中，所述灌电流吸收电路包括比较器和由所述比较器驱动的下拉NMOS管，其中所述比较器的一个输入端接收反映所述输出电压的波动的输入信号，所述比较器的另一个输入端接收与反映所述输出电压的波动的输入信号相对应的阈值信号，所述下拉NMOS管耦接到所述功率调整管的输出端及所述比较器的输出端，其中当所述输出电压波动幅度超过所述阈值信号对应电压幅度时，所述下拉NMOS管导通并吸收对所述LDO电路的灌电流；当所述输出电压波动幅度小于等于所述阈值信号对应电压幅度时，所述下拉NMOS管关闭。

3.根据权利要求2所述的瞬态增强型LDO电路，其中，所述比较器是电流比较器，所述比较器的一个输入端连接到所述放大器的中间级，以接收反映所述输出电压的波动的电流，所述另一个输入端连接到参考电流信号，输出端连接到所述下拉NMOS管的栅极。

4.根据权利要求2所述的瞬态增强型LDO电路，其中，所述放大器的反相输入端用于接收所述参考电压，所述放大器的同相输入端通过所述分压器耦合到所述功率调整管的输出端，所述放大器的输出端连接至所述功率调整管的栅极；

所述分压器为电阻分压器，包括串联的第一电阻和第二电阻，所述功率调整管的源极用于连接电压源(VDD)，所述功率调整管的漏极输出所述输出电压，并通过所述分压器接地；

所述下拉NMOS管的漏极耦接至所述功率调整管的漏极，所述下拉NMOS管的源极接地。

5.根据权利要求4所述的瞬态增强型LDO电路，还包括与所述分压器并联的第一电容和第三电阻。

6.根据权利要求1或2所述的瞬态增强型LDO电路，其中所述放大器(A1)采用折叠式共源共栅结构。

7.根据权利要求6所述的瞬态增强型LDO电路，其中，所述放大器(A1)为误差放大器，所述误差放大器包括：第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)、第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、和第四NMOS管(MN4)；

其中，第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)构成差分输入对管，第一PMOS管(MP1)的栅极用作所述误差放大器(A1)的反相输入端，用于接收参考电压，第二PMOS管(MP2)的栅极用作所述误差放大器(A1)的同相输入端；

第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)构成共源共栅电流源，第四PMOS管(MP4)的漏极连接到第一PMOS管(MP1)的漏极和第二PMOS管(MP2)的漏极；

第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)和第四NMOS管(MN4)构成共源共栅电流源，第二NMOS管(MN2)的源极连接至第一NMOS管(MN1)的漏极并且连接到第二PMOS管(MP2)的漏极，第四NMOS管(MN4)的源极与第三NMOS管(MN3)的漏极互连，连接到第一PMOS管(MP1)的漏极，并且用作第一中间输出端；

第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)和第八PMOS管(MP8)构成共源共栅电流镜负载，第五PMOS管(MP5)和第七PMOS管(MP7)的栅极互连，并且连接到第二NMOS管(MN2)的漏极，并且用作第二中间输出端；第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的栅极互连，用作第三中间输出端；

第八PMOS管(MP8)和第四NMOS管(MN4)的漏极互连，用作误差放大器(A1)的输出端。

8.根据权利要求2-5中任一项所述的瞬态增强型LDO电路，其中，所述比较器包括：第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)，

其中，第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的阈值电流端，

第九PMOS管(MP9)以及第十PMOS管(MP10)构成共源共栅结构，用作电流比较器(A3)的信号电流端，

第十PMOS管(MP10)的漏极连接至第六NMOS管(MN6)的漏级并且用于连接至下拉NMOS管(MN0)的栅极。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的瞬态增强型LDO电路，其中所述放大器的接收参考电压的输入端用于连接到电压型数模转换器，并根据所述电压型数模转换器的输出改变所述功率调整管的输出电压；和/或

所述瞬态增强型LDO电路还包括连接在所述放大器的输出端与所述功率调整管之间的缓冲器。

10.一种CMOS驱动器的电源电路，包括：

根据权利要求1-9中任一项所述的瞬态增强型LDO电路；以及

电压型数模转换器，与所述瞬态增强型LDO电路连接，被配置为将接收的数控输入转换为模拟电压，作为所述瞬态增强型LDO电路的放大器(A1)的参考电压。

11.一种激光器系统，包括如权利要求10所述的电源电路、CMOS驱动器、开关管及激光器；

所述电源电路适于提供所述CMOS驱动器的驱动电压；

所述CMOS驱动器，一端接收所述驱动电压，另一端耦接于所述开关管，以控制所述开关管的通断；

所述开关管，一端耦接于所述CMOS驱动器，适于调制所述激光器的供电电流。

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