CN111273724A - 一种稳定性补偿的线性稳压器及其设计方法 - Google Patents

一种稳定性补偿的线性稳压器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种稳定性补偿的线性稳压器及其设计方法，包括调整管、偏置电路、误差放大器、反馈电阻网络、负反馈补偿电路、电压buffer电路。通过buffer电压电路隔离误差放大器和调整管稳定了LDO，误差放大器采用了折叠共源共栅的结构提高了输出电压摆幅，本发明中有大的负载电容保证了电路良好的瞬态响应。负反馈补偿电路把输出电流镜像补偿到误差放大器中，降低误差放大器的输出电阻进一步补偿线性稳压器的稳定性。

Description

一种稳定性补偿的线性稳压器及其设计方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术，具体涉及一种有片外电容的一种稳定性补偿的线性稳压器LDO电路。
背景技术
线性稳压器(LDO)主要特点在于静态功耗较小，电路结构简单，模块化，易于控制设计成本和生产成本，使用LDO结构的电源具有较低的噪音和比较高的电源纹波抑制，在LDO结构上开发的应用电路也具有小型化的特点，即印刷版电路。同时，LDO外部器件不用提供电感等器件，而输出电压又能够实时调节和迅速校准，具有输出电压检测功能要求，同时又符合输入和输出电压差较小。LDO在拥有良好的瞬态响应情况下，同时还实现低功耗、低噪声和低成本。但普通的LDO在重载条件下会使得误差放大器模块的输出极点和主极点相隔太近，从而容易导致电路不稳定。
发明内容
针对现有传统的有片外电容的LDO电路稳定性的缺陷问题，本发明提出一种稳定性补偿线性稳压器LDO电路，有片外电容，利用buffer电路改善LDO稳定性，并加入负反馈补偿电路提高了LDO的稳定性。
本发明技术方案为：
设计原理：通过buffer电压电路隔离误差放大器和调整管从而稳定了LDO，误差放大器采用了折叠共源共栅的结构提高了输出电压摆幅，设计有大的负载电容保证了电路良好的瞬态响应，负反馈补偿电路把输出电流镜像补偿到误差放大器中，降低误差放大器的输出电阻进一步补偿线性稳压器的稳定性。
一种稳定性补偿的线性稳压器是设计方法，有片外大电容，其特征在于，包括误差放大器(EA)、第一电阻R1、第二电阻R2、buffer电路、负反馈补偿电路，还涉及输入电压Vin作为电源电压，Iload为负载电流、CL为负载电容、RESR为等效串联电阻，其中：第一电阻R1和第二电阻R2组成反馈网络，将线性稳压器的输出电压分压后反馈回误差放大器(EA)的反相输入端，误差放大器(EA)的同相输入端连接基准电压VREF；所述buffer电路作为电压缓冲器起到电压平移的作用，起隔离用，有片外大电容的线性稳压器电路输出极点为主极点，次极点位于误差放大器的输出端，由于负载电流较大(设定300mA)，功率调整管的栅端寄生电容也较大，误差放大器EA的输出电阻较大，所以形成的次极点离主极点距离较近对线性稳压器的稳定性造成了一定的影响，加入buffer电路把大电容和大电阻隔开，把误差放大器输出端的低频极点变为两个高频极点，改善线性稳压器的稳定性；输出电压Vout经过第一电阻R1和第二电阻R2构成的反馈分压网络分压反馈到误差放大器的反相输入端，当输出电压变高时，误差放大器(EA)的输出变高，功率调整管MP的栅端电压变高，即漏端电流降低，输出电压Vout变低，实现了环路的稳定。
一种稳定性补偿的线性稳压器，包括误差放大器(EA)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和输出级，
所述输出级的输出端作为所述线性稳压器的输出端，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联并接在所述线性稳压器的输出端和地之间，其串联点连接所述误差放大器(EA)的反相输入端；所述误差放大器(EA)的同相输入端连接基准电压(VREF)；
所述线性稳压器还包括buffer电路。
具体的，所述buffer电路包括第五NMOS管(M10)、第六NMOS管(M11)、第六PMOS管(M12)、第七PMOS管(M13)、第七NMOS管(M14)、第八PMOS管(M15)、第九PMOS管(M16)，其中，
第五NMOS管(M10)的栅端连接第四NMOS管(M7)的漏端和第五PMOS管(M9)的漏端，其源端连接第八PMOS管(M15)的栅端和第六NMOS管(M11)的漏端，其漏端连接输入电压(Vin)，
第六NMOS管(M11)，第六PMOS管(M12)，第七NMOS管(M14)作为buffer电路的电流源；
第七PMOS管(M13)源端连接第九PMOS管(M16)的栅端，其漏端连接地栅端连接第八PMOS管(M15)的漏端，第把PMOS管(M15)的栅端连接第五NMOS管(M10)的源端，其源端连接功率管MP的栅端和第九PMOS管(M16)的漏端，第九PMOS管(M16)的源端连接输入电压(Vin)。
所述buffer电路是本发明的创新之一，在解决稳定性问题的同时也解决了误差放大器的MOS管进入线性区的问题，以及解决传统的flipped buffer电路输出MOS管进入线性区的问题。
具体的，所述输出级还包括负载电流源、片外电容(CL)、串联等效电阻(RESR)，其中，所述串联等效电阻是由片外电容产生的电阻，其连接到输出和地之间，所述片外电容的添加是为提高LDO的瞬态响应减小过冲电压。
具体的，所述误差放大器(EA)包括第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)、第一NMOS管(M4)、第二NMOS管(M5)、第三NMOS管(M6)、第四NMOS管(M7)、第四PMOS管(M8)、第五PMOS管(M9)，其中：
第一PMOS管(M1)作为电流源为输入对管提供电流，其栅端连接偏置电压，漏端连接第二PMOS(M2)管和第三PMOS管(M3)的源端，第二PMOS管(M2)的栅端作为所述误差放大器的反相输入端，其漏端连接第一NMOS管(M4)的漏端和第三NMOS管(M7)的源端，第三PMOS管(M3)的栅端作为所述误差放大器的同相输入端，其漏端连接第二NOMS管的漏端和第四NMOS管(M7)的源端：
第一NMOS管(M4)的栅端连接偏置电压，其源端连接地，第二NMOS管(M5)的栅端连接偏置电压，其源端连接地：
第三NMOS管(M6)的栅端连接偏置电压，其漏端连接第四PMOS管(M8)的漏端，第四NMOS管(M7)的栅端连接偏置电压，其漏端连接第五PMOS管(M9)的漏端：
第四PMOS管(M8)的栅端连接其漏端，源端连接输入电压(Vin)，第五PMOS管(M9)的栅端连接第四PMOS管(M8)的栅端，其源端连接输入电压(Vin)；
具体的负反馈补偿电路，负反馈补偿电路包括第十PMOS管(M17)、第八NMOS管(M18)、第九NMOS管(M19)、第十NMOS管(M20)；
第十PMOS管(M17)栅端连接功率管MP的栅端，源端连接输入电压(Vin)，漏端连接第八NMOS管(M18)，第八NMOS管(M18)的栅端与漏端连接，其源端连接地；
第九NMOS管(M19)的栅端连接第八NMOS管(M18)的栅端，其源端接地，漏端接第一NMOS管(M4)的漏端，第十NMOS管(M20)的栅端接第八NMOS管(M18)的栅端，其漏端接第二NMOS管(M5)的漏端，源端连接地。
上述负反馈补偿电路是本发明的又一创新。
本发明的有益效果为
本发明中含有片外电容提高了LDO的瞬态响应，通过buffer电路把功率调整管MP的栅极寄生大电容和误差放大器(EA)的输出大电阻隔开改善LDO的稳定性，利用负反馈电路补偿电路对LDO的稳定性进一步的提高；误差放大器采用折叠共源共源共栅结构，提高了输出电压的摆幅。
附图说明
图1是实施例中给出的误差放大器EA的一种实现电路结构图
图2是本发明中buffer电路结构示意图
图3是本发明中负反馈补偿电路的结构示意图
图4是本发明提出的一种稳定性补偿的线性稳压器具体电路示意图
图5是本发明的原理示意图
具体实施方式
下面结合具体实例和附图详细描述本发明。
图5所示本发明提出的一种稳定性补偿的线性稳压器包括误差放大器(EA)、第一电阻R1、第二电阻R2、buffer电路、负反馈补偿电路，其中：第一电阻R1和第二电阻R2组成反馈网络，将LDO的输出电压分压后反馈回误差放大器EA的反相输入端，误差放大器的同相输入端连接基准电压VREF；buffer电路作为电压缓冲器起到电压平移的作用，在本发明中用作隔离，有片外大电容的LDO电路输出极点为主极点，次极点位于误差放大器的输出端，由于负载电流较大(设定300mA)，功率调整管的栅端寄生电容也较大，误差放大器EA的输出电阻较大，所以形成的次极点离主极点距离较近对LDO的稳定性造成了一定的影响，加入buffer电路把大电容和大电阻隔开，把误差放大器输出端的低频极点变为两个高频极点，对LDO的稳定性有改善。输入电压Vin作为电源电压，Iload为负载电流、CL为负载电容、RESR为等效串联电阻。输出电压Vout经过第一电阻R1和第二电阻R2构成的反馈分压网络分压反馈到误差放大器的反相输入端，当输出电压变高时，误差放大器EA的输出变高，功率调整管MP的栅端电压变高，即漏端电流降低，输出电压Vout变低，实现了环路的稳定。
输出级采用PMOS功率调整管可以减小输出电压和输入电压的差值，得到的输出电压Vout有更大的范围，效率也高。
一些实施例中还可以选用NMOS管作为功率调整管来输出电压，但是需要在电源电压较低时，利用电荷泵来驱动NMOS管的栅极。下面以PMOS功率调整管为例详细说明本实施的工作过程和工作原理。
如图1所示给出了误差放大器EA的一种实现电路结构，本实施例中误差放大器采用折叠共源共栅结构，所有MOS管均工作在饱和区，第一NMOS管(M4)和第二NMOS管(M5)为误差放大器输出级提供电流，NMOS管(M6)和(M7)用作增大输出电阻值，第四PMOS管(M8)栅漏连接可以增大输出电压的摆幅，第一PMOS管(M1)用作电流源为输入对管提供电流，输入对管采用PMOS管可提高输入电压范围，输入共模电平容易选取，第二PMOS管(M2)和第三PMOS管(M3)作为误差放大器输入对管将输入电压转换为电流，当LDO负载电流较大时，功率管栅端电压较低，第四NMOS管(M7)进入线性区，当负载电流较小时，功率调整管栅端电压较高，第五PMOS管(M9)容易进入线性区，这些问题在buffer电路可以得到解决。
如图2所示给出了buffer的一种实现电路结构，简单的源级跟随器的输出电阻为1/gm仍然较大，输出极点频率较低无法改善LDO的稳定性，本发明中采用的flipped buffer电路，第七NMOS管(M14)，第八PMOS管(M15)和第九PMOS管(M16)组成了flipped buffer输出电阻为1/gm15ro15gm16可达到几百欧姆改善LDO的稳定性，gm15是第八PMOS管的跨导，ro15是第八PMOS管的输出阻抗，gm16是第九PMOS管的跨导。加入第七PMOS管(M13)为了保证第八PMOS管(M15)一直工作在饱和区，加入第五NMOS管(M10)为了保证PMOS管(M9)在大负载电流条件下工作在饱和区，但LDO在大负载电流条件下稳定性较差，需要加入负反馈补偿电路对LDO的稳定性进行补偿。
如图3所示给出了负反馈补偿电路，加入buffer电路后次极点位于误差大器EA的输出端，当输出电阻较小时，LDO稳定但环路增益较小，LDO的PSR值较小，在带有片外电容的LDO，片外电容为uF级，在大负载电流条件下LDO的等效输出电阻值减小，主极点变大离次极点位置较近，导致LDO稳定性差。本发明中采用负反馈补偿电路把对误差放大器的输出电阻进行电流补偿，根据ro＝1/λId，ro是输出阻抗，Id是漏电流，λ是沟道长度参数，可得电流增大，输出电阻减小。PMOS管(M17)把功率调整管MP的电流镜像，在小负载电流下，镜像电流较小可忽略不计，在大负载电流条件下镜像电流较大，通过NMOS管(M18)和第九NMOS管(M19)、第十NMOS管(M20)补偿到误差放大器电路中，减小误差放大器在大电流负载条件下的输出电阻，使次极点跟随主极点一起远离远点，使LDO在全负载条件下保持良好的稳定性。
如图4所示的电路结构，LDO反馈环路的的环路增益为Av＝Ao·gmpRop·β,其中Ao为误差放大器的增益，gmp是功率调整管MP的跨导，
Figure BDA0002379754550000061
低频PSR约为环路增益，Rop是功率调整管MP的输出阻抗，R1,R2是反馈网络电阻，
误差放大器的高增益会使系统的PSR值大，PSR值越大电源抑制噪声效果越好。功率调整管MP和镜像管MOS管(M17)宽度比为10000：1。该LDO共有三个极点，主极点为LDO输出极点
Figure BDA0002379754550000062
CL是负载大电容，Rout为LDO的等效输出电阻，第一次极点为误差放大器输出极点
Figure BDA0002379754550000063
REA为误差放大器的输出电阻，Cbuffer为buffer电路的输入管的寄生电容。
第二次极点是功率调整管栅端的极点
Figure BDA0002379754550000064
Rbuffer是buffer电路的输出电阻，Cp＝Cgs+(1+Av)Cgd,Cgs是栅端和源端的寄生电容，Cgd是栅端和漏端的寄生电容，Av是功率调整管的栅端到漏端的增益。
综上，本发明提出一种稳定性补偿线性稳压器，有片外电容，提高系统的瞬态响应。
通过buffer电路把功率调整管MP的栅极寄生大电容和误差放大器(EA)的输出大电阻隔开改善LDO的稳定性，利用负反馈电路补偿电路对LDO的稳定性进一步的保证LDO在大负载电流条件下依然稳定，使LDO在全负载电流条件下保持稳定。

Claims (3)

1.一种稳定性补偿的线性稳压器的设计方法，有片外大电容，其特征在于，包括误差放大器(EA)、第一电阻R1、第二电阻R2、buffer电路、负反馈补偿电路，还涉及输入电压Vin作为电源电压，Iload为负载电流、CL为负载电容、RESR为等效串联电阻，其中：第一电阻R1和第二电阻R2组成反馈网络，将线性稳压器的输出电压分压后反馈回误差放大器(EA)的反相输入端，误差放大器(EA)的同相输入端连接基准电压VREF；所述buffer电路作为电压缓冲器起到电压平移的作用，起隔离用，有片外大电容的线性稳压器电路输出极点为主极点，次极点位于误差放大器的输出端，由于负载电流较大(设定300mA)，功率调整管的栅端寄生电容也较大，误差放大器EA的输出电阻较大，所以形成的次极点离主极点距离较近对线性稳压器的稳定性造成了一定的影响，加入buffer电路把大电容和大电阻隔开，把误差放大器输出端的低频极点变为两个高频极点，改善线性稳压器的稳定性；输出电压Vout经过第一电阻R1和第二电阻R2构成的反馈分压网络分压反馈到误差放大器的反相输入端，当输出电压变高时，误差放大器(EA)的输出变高，功率调整管MP的栅端电压变高，即漏端电流降低，输出电压Vout变低，实现了环路的稳定。
2.一种稳定性补偿的线性稳压器，包括误差放大器(EA)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和输出级，
所述输出级的输出端作为整个线性稳压器的输出端，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联并接在所述线性稳压器的输出端和地之间，其串联点连接误差放大器(EA)的反相输入端；
所述误差放大器(EA)的同相输入端连接基准电压(VREF)；
(以上现有技术)
其特征在于，所述线性稳压器还包括buffer电路；
其中：
所述误差放大器(EA)包括第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)、第一NMOS管(M4)、第二NMOS管(M5)、第三NMOS管(M6)、第四NMOS管(M7)、第四PMOS管(M8)、第五PMOS管(M9)，
第一PMOS管(M1)作为电流源为输入对管提供电流，其栅端连接偏置电压，漏端连接第二PMOS(M2)管和第三PMOS管(M3)的源端，第二PMOS管(M2)的栅端作为所述误差放大器的反相输入端，其漏端连接第一NMOS管(M4)的漏端和第三NMOS管(M7)的源端，第三PMOS管(M3)的栅端作为所述误差放大器的同相输入端，其漏端连接第二NOMS管的漏端和第四NMOS管(M7)的源端：
第一NMOS管(M4)的栅端连接偏置电压，其源端连接地，第二NMOS管(M5)的栅端连接偏置电压，其源端连接地：
第三NMOS管(M6)的栅端连接偏置电压，其漏端连接第四PMOS管(M8)的漏端，第四NMOS管(M7)的栅端连接偏置电压，其漏端连接第五PMOS管(M9)的漏端：
第四PMOS管(M8)的栅端连接其漏端，源端连接输入电压(Vin)，第五PMOS管(M9)的栅端连接第四PMOS管(M8)的栅端，其源端连接输入电压(Vin)；
所述buffer电路(创新部分之一)包括第五NMOS管(M10)、第六NMOS管(M11)、第六PMOS管(M12)、第七PMOS管(M13)、第七NMOS管(M14)、第八PMOS管(M15)、第九PMOS管(M16)，第五NMOS管(M10)的栅端连接第四NMOS管(M7)的漏端和第五PMOS管(M9)的漏端，其源端连接第八PMOS管(M15)的栅端和第六NMOS管(M11)的漏端，其漏端连接输入电压(Vin)，第六NMOS管(M11)，第六PMOS管(M12)，第七NMOS管(M14)作为buffer电路的电流源；
第七PMOS管(M13)源端连接第九PMOS管(M16)的栅端，其漏端连接地栅端连接第八PMOS管(M15)的漏端，第八PMOS管(M15)的栅端连接第五NMOS管(M10)的源端，其源端连接功率管MP的栅端和第九PMOS管(M16)的漏端，第九PMOS管(M16)的源端连接输入电压(Vin)。
3.根据权利要求2所述的稳定性补偿线性稳压器，其特征在于，所述线性稳压器还包括负反馈补偿电路，
负反馈补偿电路包括第十PMOS管(M17)、第八NMOS管(M18)、第九NMOS管(M19)、第十NMOS管(M20)；
第十PMOS管(M17)栅端连接功率管MP的栅端，源端连接输入电压(Vin)，漏端连接第八NMOS管(M18)，第八NMOS管(M18)的栅端与漏端连接，其源端连接地；
第九NMOS管(M19)的栅端连接第八NMOS管(M18)的栅端，其源端接地，漏端接第一NMOS管(M4)的漏端，第十NMOS管(M20)的栅端接第八NMOS管(M18)的栅端，其漏端接第二NMOS管(M5)的漏端，源端连接地。
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