CN110825157A - 基于重载补偿的低压差线性稳压器 - Google Patents

基于重载补偿的低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于重载补偿的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：误差放大器EA、MOS管M1、分压电阻R1和R2、输出电容COUT及负载电阻RL、重载补偿单元，其电性连接于MOS管M1与误差放大器EA的尾部，重载补偿单元用于抽取误差放大器EA的尾电流，其包括若干串联设置的电流镜及为电流镜提供电流的电流源。本发明的低压差线性稳压器中通过重载补偿单元能够降低误差放大器的尾电流，进而降低整个环路的增益及整个系统的增益，保证了重载状态下的稳定性。

Description

基于重载补偿的低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于低压差线性稳压器技术领域，具体涉及一种基于重载补偿的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，LDO)具有输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小和电压纹波小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。低压差线性稳压器能够为模拟电路和射频电路等噪声敏感电路提供低输出纹波的电源，而且由于结构相对简单，外围元器件少，因而被广泛应用于片上系统芯片中。
参图1所示，现有技术中的LDO主要包括误差放大器EA、NMOS管M1、分压电阻R1和R2、输出电容COUT及负载电阻RL。LDO基本原理为：误差放大器EA用于放大反馈电压FB与基准电压REF之间的差值，NMOS管M1的栅源电压Vgs增大或减小电流以控制输出电压，实现输出电压的稳定，最终REF和FB误差放大经过误差放大器EA构成负反馈使得输出电压稳定在VOUT＝REF×(R1+R2)/R1。
然而现有技术中LDO重载情况下时，输出极点gm/COUT会外推(gm为NMOS管M1的跨导)，导致系统带宽增大，会导致PM(相位裕度)变差，影响系统的稳定性，所以在重载条件下应该对环路进行相应补偿，保证系统稳定。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于重载补偿的低压差线性稳压器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于重载补偿的低压差线性稳压器，以保证LDO重载情况下的稳定性。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于重载补偿的低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器包括：
误差放大器EA，包括与基准电压REF相连的第一输入端和与反馈电压FB相连的第二输入端、以及输出端；
MOS管M1，与误差放大器EA的输出端相连；
分压电阻R1和R2，串联于MOS管M1上，且分压电阻R1和R2中间与误差放大器EA第二输入端相连；
输出电容COUT及负载电阻RL，分别与MOS管M1相连；
重载补偿单元，其电性连接于MOS管M1与误差放大器EA的尾部，重载补偿单元用于抽取误差放大器EA的尾电流，其包括若干串联设置的电流镜及为电流镜提供电流的电流源。
一实施例中，所述重载补偿单元包括：
MOS管M2，与MOS管M1共栅连接，MOS管M1和MOS管M2构成第一电流镜；
第二电流镜，包括共栅连接的MOS管M3和MOS管M4；
第三电流镜，包括共栅连接的MOS管M5和MOS管M6；
第一电流源，用于为第三电流镜提供第一电流I1；
第四电流镜，包括共栅连接的MOS管M7和MOS管M8；
第二电流源，用于为第四电流镜提供第二电流I2。
一实施例中，所述MOS管M1～M8为NMOS管。
一实施例中，重载补偿单元中：
MOS管M2的源极与低压差线性稳压器的输出端VOUT相连，漏极与第二电流镜相连；
MOS管M3和MOS管M4的源极接地，漏极分别与第一电流镜和第三电流镜相连；
MOS管M5和MOS管M6的源极接地，漏极分别与第一电流源和第四电流镜相连；
MOS管M7和MOS管M8的源极接地，漏极分别与第二电流源和误差放大器EA的尾部相连。
一实施例中，所述重载补偿单元还包括位于第一电流镜和第二电流镜之间的第五电流镜，第五电流镜用于控制第一电流镜到第二电流镜的电流放大倍数。
一实施例中，第五电流镜包括共栅连接的PMOS管。
一实施例中，所述第一电流镜和第二电流镜之间设有耐高压模块，所述耐高压模块至少包括NMOS管，NMOS管的栅极与参考电压VDD相连，源极与第二电流镜相连，漏极与第一电流镜相连。
一实施例中，所述重载补偿单元包括：
轻载状态，第一电流源中的电流I1部分流经MOS管M5，第二电流源中无电流流出；
重载状态，第二电流源中的电流I2流经MOS管M7，MOS管M8抽取误差放大器EA的尾电流Itrack。
一实施例中，所述重载状态下，尾电流的最大值为K*I2，其中，K为MOS管M8与MOS管M7的宽长比。
一实施例中，所述误差放大器EA的输出端与第一电流镜相连，输出端与第一电流镜之间连接有超级源极跟随器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的低压差线性稳压器中通过重载补偿单元能够降低误差放大器的尾电流，进而降低整个环路的增益及整个系统的增益，保证了重载状态下的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。
图1为本发明现有技术中低压差线性稳压器的电路原理图；
图2为本发明一具体实施例中低压差线性稳压器的电路原理图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一电流源可以被称为第二电流源，并且类似地第二电流源也可以被称为第一电流源，这并不背离本申请的保护范围。
本发明公开了一种基于重载补偿的低压差线性稳压器，其包括：
误差放大器EA，包括与基准电压REF相连的第一输入端和与反馈电压FB相连的第二输入端、以及输出端；
MOS管M1，与误差放大器EA的输出端相连；
分压电阻R1和R2，串联于MOS管M1上，且分压电阻R1和R2中间与误差放大器EA第二输入端相连；
输出电容COUT及负载电阻RL，分别与MOS管M1相连；
重载补偿单元，其电性连接于MOS管M1与误差放大器EA的尾部，重载补偿单元用于抽取误差放大器EA的尾电流，其包括若干串联设置的电流镜及为电流镜提供电流的电流源。
本发明通过重载补偿单元，能够使系统在重载下仍具有良好的稳定性。以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图2所示为本发明一具体实施例中低压差线性稳压器(LDO)的电路图，LDO包括：
误差放大器EA，包括与基准电压REF相连的第一输入端和与反馈电压FB相连的第二输入端、以及输出端A，另外，误差放大器EA还与VCP(chargepump)相连，其用于比较基准电压REF和反馈电压FB，并生成控制信号进而控制MOS管M1；
MOS管M1，与误差放大器EA的输出端相连；
分压电阻R1和R2，串联于MOS管M1上，且分压电阻R1和R2中间与误差放大器EA第二输入端相连；
输出电容COUT及负载电阻RL，输出电容COUT及负载电阻RL的一端与MOS管M1相连，另一端接地，电阻Esr为输出电容COUT的等效串联电阻；
重载补偿单元，其电性连接于MOS管M1与误差放大器EA的尾部，重载补偿单元用于抽取误差放大器EA的尾电流，其包括若干串联设置的电流镜及为电流镜提供电流的电流源。
另外，误差放大器EA的输出端A和MOS管M1的栅极之间电性连接有超级源极跟随器(super source follow)，其主要用于将MOS管M1栅极处的极点推到高频。
具体地，本实施例中的重载补偿单元包括：
MOS管M2，与MOS管M1共栅连接，MOS管M1和MOS管M2构成第一电流镜11，MOS管M1的漏极接输入VIN，源极接分压电阻R2和R1后接地，MOS管M2的源极与低压差线性稳压器的输出端VOUT相连，漏极与第二电流镜相连；
第二电流镜12，包括共栅连接的MOS管M3和MOS管M4，MOS管M3和MOS管M4的源极接地，漏极分别与第一电流镜和第三电流镜相连，且MOS管M3的漏极和栅极相连；
第三电流镜13，包括共栅连接的MOS管M5和MOS管M6，MOS管M5和MOS管M6的源极接地，漏极分别与第一电流源和第四电流镜相连，且MOS管M5的漏极和栅极相连；
第一电流源21，用于为第三电流镜提供第一电流I1；
第四电流镜14，包括共栅连接的MOS管M7和MOS管M8，MOS管M7和MOS管M8的源极接地，漏极分别与第二电流源和误差放大器EA的尾部相连，且MOS管M7的漏极和栅极相连；
第二电流源22，用于为第四电流镜提供第二电流I2。
本发明中第一电流镜11、第二电流镜12、第三电流镜14级第四电流镜14中的各MOS管M1～M8均为NMOS管。
另外，本实施例中还设有第五电流镜15，其位于第一电流镜和第二电流镜之间，用于控制第一电流镜到第二电流镜的电流放大倍数。如一具体示例中，第五电流镜15可以通过两个共栅连接的PMOS管的实现，此处不再进行赘述。
进一步地，第一电流镜和第二电流镜之间设有耐高压模块31，具体地，本实施例中的耐高压模块31为一个NMOS管M9，NMOS管M9的栅极与参考电压VDD相连，源极与第二电流镜相连，漏极与第一电流镜相连。
本实施例中LDO重载和轻载时：
轻载状态，第一电流源中的电流I1部分流经MOS管M5，第二电流源中无电流流出；
重载状态，第二电流源中的电流I2流经MOS管M7，MOS管M8抽取误差放大器EA的尾电流Itrack。
具体地，第一电流源和第二电流源提供的电流I1和I2为固定电流，轻载时电流I1部分流经MOS管M5，通过设置MOS管M6和MOS管M5的宽长比，能够使得第二电流源没有额外的电流流出，此时，MOS管M8不会抽取误差放大器EA的尾电流Itrack。
随着负载的增加，第一电流源流出的电流I1逐渐减小，第二电流源逐渐有电流I2流出Itrack会逐渐增大，重载状态下尾电流Itrack的最大值为K*I2，其中，K为MOS管M8与MOS管M7的宽长比。
因此，本实施例中可以大大降低尾电流，进而MOS管M1的跨导gm减小，从而能够降低整个环路的增益，同时降低了系统的带宽，保证了重载下的稳定性。
上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明的低压差线性稳压器中通过重载补偿单元能够降低误差放大器的尾电流，进而降低整个环路的增益及整个系统的增益，保证了重载状态下的稳定性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括：
误差放大器EA，包括与基准电压REF相连的第一输入端和与反馈电压FB相连的第二输入端、以及输出端；
MOS管M1，与误差放大器EA的输出端相连；
分压电阻R1和R2，串联于MOS管M1上，且分压电阻R1和R2中间与误差放大器EA第二输入端相连；
输出电容COUT及负载电阻RL，分别与MOS管M1相连；
重载补偿单元，其电性连接于MOS管M1与误差放大器EA的尾部，重载补偿单元用于抽取误差放大器EA的尾电流，其包括若干串联设置的电流镜及为电流镜提供电流的电流源。
2.根据权利要求1所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述重载补偿单元包括：
MOS管M2，与MOS管M1共栅连接，MOS管M1和MOS管M2构成第一电流镜；
第二电流镜，包括共栅连接的MOS管M3和MOS管M4；
第三电流镜，包括共栅连接的MOS管M5和MOS管M6；
第一电流源，用于为第三电流镜提供第一电流I1；
第四电流镜，包括共栅连接的MOS管M7和MOS管M8；
第二电流源，用于为第四电流镜提供第二电流I2。
3.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述MOS管M1～M8为NMOS管。
4.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，重载补偿单元中：
MOS管M2的源极与低压差线性稳压器的输出端VOUT相连，漏极与第二电流镜相连；
MOS管M3和MOS管M4的源极接地，漏极分别与第一电流镜和第三电流镜相连；
MOS管M5和MOS管M6的源极接地，漏极分别与第一电流源和第四电流镜相连；
MOS管M7和MOS管M8的源极接地，漏极分别与第二电流源和误差放大器EA的尾部相连。
5.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述重载补偿单元还包括位于第一电流镜和第二电流镜之间的第五电流镜，第五电流镜用于控制第一电流镜到第二电流镜的电流放大倍数。
6.根据权利要求5所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，第五电流镜包括共栅连接的PMOS管。
7.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流镜和第二电流镜之间设有耐高压模块，所述耐高压模块至少包括NMOS管，NMOS管的栅极与参考电压VDD相连，源极与第二电流镜相连，漏极与第一电流镜相连。
8.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述重载补偿单元包括：
轻载状态，第一电流源中的电流I1部分流经MOS管M5，第二电流源中无电流流出；
重载状态，第二电流源中的电流I2流经MOS管M7，MOS管M8抽取误差放大器EA的尾电流Itrack。
9.根据权利要求8所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述重载状态下，尾电流的最大值为K*I2，其中，K为MOS管M8与MOS管M7的宽长比。
10.根据权利要求2所述的基于重载补偿的低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大器EA的输出端与第一电流镜相连，输出端与第一电流镜之间连接有超级源极跟随器。
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