CN111273720A - 一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路 - Google Patents

一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，包括相互电连接的线性稳压回路和零点产生回路，所述线性稳压回路用于输出稳定的电压，所述零点产生回路用于产生补偿零点；所述线性稳压回路具有电源电压输入端、参考电压输入端、电压输出端和接地端，所述电源电压输入端用于接入外部电源以为整个线性稳压回路提供工作电源，所述参考电压输入端用于接入参考电压以为整个线性稳压回路提供参考基准，所述电压输出端用于输出稳定的电压；所述零点产生回路具有电压输入端，所述电压输入端用于接入所述线性稳压回路产生的输出电压，所述零点产生回路用于产生低频零点以对线性稳压回路的相位裕度进行补偿。

Description

一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路
技术领域
本发明涉及线性稳压器技术领域，特别是涉及一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路。
背景技术
在电源管理领域，线性稳压器可以为负载器件提供精确、低噪声的供电电压，主要应用于为高性能电子器件供电。线性稳压器依靠反馈原理稳定输出电压，在线性稳压器的反馈回路中，负载电容与输出端电阻会引入一个低频极点；为保证输出电流能力和低压差，功率管的尺寸通常很大，功率管的栅极电容与前级电阻也会引入一个低频极点。因此，线性稳压器回路需要引入一个低频零点用于补偿相位裕度，以保证反馈回路稳定性。
补偿零点可以通过片外或者片内方式产生，片外方式的零点由负载电容和等效串联电阻(ESR)产生，这种方式的缺陷是等效串联电阻的阻值随温度变化，零点位置无法准确设计，并且在负载瞬态变化期间，等效串联电阻上的压降会增大输出电压的波动幅度，降低线性稳压器的瞬态响应性能，而常规的片内补偿方式需要设计大的片上电容，这会增大芯片面积，并且降低系统带宽，增大功耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、稳定性高的用于线性稳压器的补偿零点产生电路。
为解决上述问题，本发明提供一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，包括相互电连接的线性稳压回路和零点产生回路，所述线性稳压回路用于输出稳定的电压，所述零点产生回路用于产生补偿零点；所述线性稳压回路具有电源电压输入端、参考电压输入端、电压输出端和接地端，所述电源电压输入端用于接入外部电源以为整个线性稳压回路提供工作电源，所述参考电压输入端用于接入参考电压以为整个线性稳压回路提供参考基准，所述电压输出端用于输出稳定的电压；所述零点产生回路具有电压输入端，所述电压输入端用于接入所述线性稳压回路产生的输出电压，所述零点产生回路用于产生低频零点以对线性稳压回路的相位裕度进行补偿。
进一步的，所述线性稳压回路包括误差放大器、功率管、第一电阻和第二电阻，所述功率管的源极作为线性稳压回路的电源电压输入端与外部电源连接，所述功率管的漏极依次通过所述第一电阻和第二电阻后接地，所述功率管的漏极还与所述电压输出端连接，所述误差放大器的反相输入端作为所述线性稳压回路的参考电压输入端用于接入参考电压，所述误差放大器的输出端与所述功率管的栅极连接。
进一步的，所述零点产生电路包括零点产生运放、跟随运放和反馈电阻，所述零点产生运放的反相输入端与所述功率管的漏极和所述跟随运放的同相输入端均连接，所述零点产生运放的同相输入端与所述跟随运放的反相输入端和输出端均连接，所述零点产生运放的输出端与所述误差放大器的同相输入端和所述反馈电阻的一端均连接，所述反馈电阻的另一端连接在所述第一电阻和第二电阻之间。
进一步的，所述线性稳压回路还包括负载电容，所述负载电容的一端与所述电压输出端连接，所述负载电容的另一端接地。
本发明的有益效果：通过在电压输出端引入零点产生回路，在不改变线性稳压电路主体架构的情况下引入一个低频零点，能够避免系统带宽降低与功耗增大，有效提升线性稳压电路瞬态响应性能；同时以片内的方式引入零点，可以有效避免使用片外ESR电阻引入零点而导致线性稳压电路瞬态性能下降，本发明结构简单，芯片体积小，能够满足线性稳压电路对于高集成度与快速响应的要求。
附图说明
图1是本发明一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路的较佳的实施方式的电路图。
图2是图1所示补偿零点产生电路的零点产生回路的电路图。
图3是图2所示零点产生回路中零点产生运放与反馈电阻的交流小信号等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
如图1所示，是本发明一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路的较佳的实施方式电路图，所述线性稳压电路用于输出稳定的供电电压，其包括相互电连接的线性稳压回路1和零点产生回路2。所述线性稳压回路1用于输出稳定的电压，以为后续电路模块(如单片机等)提供稳定的工作电压；所述零点产生回路2用于产生低频零点以补偿相位裕度，以保证线性稳压回路1的稳定。
所述线性稳压回路1具有电源电压输入端VDD、参考电压输入端VREF、电压输出端VOUT和接地端，所述电源电压输入端VDD用于接入外部电源VDD为整个线性稳压回路1供电，以保证线性稳压回路1的正常工作；所述电压输出端VOUT用于输出稳定的输出电压VOUT，以为后续电路模块提供稳定的工作电压；所述参考电压输入端VREF用于接入参考电压VREF为线性稳压回路1提供参考基准，以保证电压输出端VOUT所输出的输出电压VOUT保持稳定。
具体的，所述线性稳压回路1包括误差放大器EA、功率管MP、第一电阻R1和第二电阻R2，所述功率管MP的源极作为线性稳压回路1的电源电压输入端VDD与外部电源VDD相连；所述功率管MP的漏极依次通过所述第一电阻R1和第二电阻R2后接地；所述功率管MP的漏极还直接与所述电压输出端VOUT连接，用于提供稳定的输出电压VOUT。所述误差放大器EA的反相输入端作为所述参考电压输入端VREF用于接入参考电压VREF，参考电压VREF由片内的带隙基准电压源产生；所述误差放大器EA的输出端与所述功率管MP的栅极连接，用于控制通过功率管MP的电流，以此来调节线性稳压器的输出电压VOUT。
所述线性稳压回路1还包括负载电容CL，所述负载电容CL的一端与功率管MP的漏极连接，所述负载电容CL的另一端接地。
如图2所示，是图1所示补偿零点产生电路中零点产生回路部分独立的电路图，所述零点产生回路2具有电压输入端VIN，所述电压输入端VIN与所述线性稳压回路1的电压输出端VOUT连接，用于接入所述线性稳压回路1产生的输出电压VOUT，并产生低频零点对所述线性稳压回路1的相位裕度进行补偿，使线性稳压回路1保持稳定，确保线性稳压回路1的输出电压VOUT保持稳定。
请返回参看图1，所述零点产生电路2包括零点产生运放OP1、跟随运放OP2和反馈电阻RF，所述零点产生运放OP1的反相输入端与功率管MP的漏极和所述跟随运放OP2的同相输入端均连接，所述零点产生运放OP1的同相输入端与所述跟随运放OP2的反相输入端和输出端均连接，使零点产生运放OP1的同相输入端所接入的电压与零点产生运放OP1反相输入端和跟随运放OP2同相输入端接入的输出电压VOUT相等，保证零点产生运放OP1的静态工作点，确保零点产生回路2不产生失真。所述零点产生运放OP1的输出端与所述误差放大器EA的同相输入端和所述反馈电阻RF的一端均连接，所述反馈电阻RF的另一端连接在所述第一电阻R1和第二电阻R2之间，以形成负反馈回路，对线性稳压回路1极点引起的相位裕度的下降进行补偿。所述负载电容CL用于保证负反馈回路的稳定性和降低输出电压VOUT的波动幅度。
本发明的工作原理：
所述线性稳压回路1包括误差放大器EA、功率管MP、第一电阻R1、第二电阻R2和负载电容CL。线性稳压回路1的主极点位于电压输出端VOUT，非主极点位于功率管MP的栅极，因此在电压输出端VOUT引入零点产生回路2，在线性稳压回路1单位增益带宽内部引入一个低频零点，用于补偿因非主极点引起的相位裕度下降，以此来保证补偿零点产生电路的稳定性。零点产生回路2引入低频零点的同时也会引入一个极点，但由于该零点产生回路2引入的极点位于远高于线性稳压电路单位增益带宽的高频处，因此零点产生回路2引入的极点不会对相位裕度产生影响。
所述零点产生回路2包括零点产生运放OP1、跟随运放OP2和反馈电阻RF。所述跟随运放OP2连接形式为单位增益运放形式，跟随运放OP2采用单极点运放结构，即跟随运放OP2反馈环路的单位增益带宽内部只存在一个极点，跟随运放OP2的单位增益带宽频率设置为远低于零点频率。当跟随运放OP2工作在直流状态时，保持零点产生运放OP1反相输入端和跟随运放OP2同相输入端接入输出电压VOUT与零点产生运放OP1同相输入端的电压VS相等，以保证零点产生运放OP1的静态工作点，当系统频率高于跟随运放OP2的单位增益带宽时，跟随运放OP2的增益将降到0dB以下。
如图3所示，是系统频率高于跟随运放OP2反馈环路的单位增益带宽时零点产生运放OP1与反馈电阻RF组成的交流小信号等效电路图，由于跟随运放OP2反馈环路的增益降到0dB以下，跟随运放OP2输出端和零点产生运放OP1同相输入端交流小信号幅度很小，可以近似为交流地，因此在电压输出端VOUT的小信号输入电流i为：
Figure BDA0002399231900000071
其中：VOUT为线性稳压回路1的输出电压；A为零点产生运放OP1的增益；RF为反馈电阻RF的阻值。
因此电压输出端VOUT的等效阻抗z为：
Figure BDA0002399231900000072
所述零点产生运放OP1也采用单极点运放结构，结合上述式(1)可进一步得到电压输出端VOUT的等效阻抗z为：
Figure BDA0002399231900000073
其中：A0为零点产生运放OP1的直流增益，ωP1为主极点频率，s是通过拉普拉斯变换得来，为复变量，起到算子的作用。
通过(3)式，可以得到电压输出端VOUT的等效阻抗z，其包含一个零点z1和一个极点p1，零点z1的频率位于ωP1，极点p1的频率位于ωP1(1+A0)。由于零点产生运放OP1极点p1的频率远高于零点z1的频率，因此可以通过引入零点进行来对相位裕度进行补偿。
同时零点z1的频率与零点产生运放OP1的内部主极点频率ωP1对应，由于主极点频率ωP1由零点产生运放OP1的输出阻抗和输出端的电容决定的，当零点产生运放OP1的输出阻抗增加时，产生低频补偿零点所需的片内电容减小，因此可以通过小的片内电容产生所需的低频补偿零点，以此来减小线性稳压器的尺寸。
在其他的实施方式中，可以省略零点产生电路中的反馈电阻RF，线性稳压回路1中的第一电阻R1可以起到零点产生回路中反馈电阻RF的作用，能够更进一步减小线性稳压器的尺寸，使其结构更简单，但要避免第一电阻R1的阻值过小，确保线性稳压电路的直流增益不受影响。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，其特征在于：包括相互电连接的线性稳压回路和零点产生回路，所述线性稳压回路用于输出稳定的电压，所述零点产生回路用于产生补偿零点；所述线性稳压回路具有电源电压输入端、参考电压输入端、电压输出端和接地端，所述电源电压输入端用于接入外部电源以为整个线性稳压回路提供工作电源，所述参考电压输入端用于接入参考电压以为整个线性稳压回路提供参考基准，所述电压输出端用于输出稳定的电压；所述零点产生回路具有电压输入端，所述电压输入端用于接入所述线性稳压回路产生的输出电压，所述零点产生回路用于产生低频零点以对线性稳压回路的相位裕度进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，其特征在于：所述线性稳压回路包括误差放大器、功率管、第一电阻和第二电阻，所述功率管的源极作为线性稳压回路的电源电压输入端与外部电源连接，所述功率管的漏极依次通过所述第一电阻和第二电阻后接地，所述功率管的漏极还与所述电压输出端连接，所述误差放大器的反相输入端作为所述线性稳压回路的参考电压输入端用于接入参考电压，所述误差放大器的输出端与所述功率管的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，其特征在于：所述零点产生电路包括零点产生运放、跟随运放和反馈电阻，所述零点产生运放的反相输入端与所述功率管的漏极和所述跟随运放的同相输入端均连接，所述零点产生运放的同相输入端与所述跟随运放的反相输入端和输出端均连接，所述零点产生运放的输出端与所述误差放大器的同相输入端和所述反馈电阻的一端均连接，所述反馈电阻的另一端连接在所述第一电阻和第二电阻之间。
4.根据权利要求2所述的一种用于线性稳压器的补偿零点产生电路，其特征在于：所述线性稳压回路还包括负载电容，所述负载电容的一端与所述电压输出端连接，所述负载电容的另一端接地。
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