CN111638742B - 一种零极点追踪频率补偿快速稳定ldo电路 - Google Patents

一种零极点追踪频率补偿快速稳定ldo电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，包括带隙基准源、低压线性稳压器电路、逻辑电路、电位上拉MOS开关，带隙基准源的输入端输入使能信号，带隙基准源的输出端与低压线性稳压器电路、逻辑电路的输入端、电位上拉MOS开关相连，电位上拉MOS开关与低压线性稳压器电路相连，逻辑电路的输出端与低压线性稳压器电路相连。本发明设有电位上拉MOS开关和对应的逻辑电路，增加了电位上拉MOS开关和相应逻辑电路后，很好地解决了因为误差放大器的输出电流不是足够大，造成补偿电容充电到其DC工作点很慢、进而引发的环路振荡的问题。

Description

一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路
技术领域
本发明涉及一种LDO电路，特别涉及一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路。
背景技术
传统的零极点追踪频率补偿没有相应的上拉管Mup以及对Mup控制的逻辑电路，一旦误差放大器的输出电流不是足够大，长时间对补偿电容充电过程中LDO负载突然增大会导致反馈环路不稳定而产生振荡。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，包括带隙基准源、低压线性稳压器电路、逻辑电路、电位上拉MOS开关，带隙基准源的输入端输入使能信号，带隙基准源的输出端与低压线性稳压器电路、逻辑电路的输入端、电位上拉MOS开关相连，电位上拉MOS开关与低压线性稳压器电路相连，逻辑电路的输出端与低压线性稳压器电路相连。
上述零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，所述逻辑电路具有两个输入端和三个输出端，具体包括第一至第七反相器、与非门、第一延时电容和第二延时电容，第一反相器的输入端作为逻辑电路的第一输入端并连接带隙基准源的输出端，第一反相器的输出端依次连接第二反相器、第三反相器、第四反相器后与与非门的一个输入端相连，与非门的另一个输入端作为逻辑电路的第二输入端并输入使能信号，与非门的输出端依次连接第五反相器、第六反相器、第七反相器，所述第一延时电容的一端接地，另一端连接第三反相器的输入端，所述第二延时电容的一端接地，另一端连接第七反相器的输入端；所述第五反相器的输出端作为逻辑电路的第一输出端，第七反相器的输出端作为逻辑电路的第二输出端，第三反相器的输出端作为逻辑电路的第三输出端。
上述零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，所述第一反相器包括第一至第三MOS管，第一MOS管的源极接电源，第一MOS的栅极与第二MOS管的栅极连接在一起并作为第一反相器的输入端，第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接在一起并作为第一反相器的输入端，第二MOS管的源极与第三MOS管的漏极连接在一起，第三MOS管的源极接地，第三MOS管的栅极输入使能信号。
上述零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，所述第六反相器包括第四至第六MOS管，第四MOS管的源极接电源，第四MOS管的栅极输入偏置电流，第四MOS管的漏极与第五MOS管的源极相连，第五MOS管的栅极与第六MOS管的栅极相连并作为第六反相器的输入端，第五MOS管的漏极与第六MOS管的漏极连接在一起并作为第六反相器的输出端，第六MOS管的源极接地。
上述零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，低压线性稳压器电路包括误差放大器、缓冲器、补偿电容、第七MOS管、功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、负载电阻、负载电容、第一电阻，所述带隙基准源的输出端与误差放大器的同相输入端相连，误差放大器的反相输入端经第二反馈电阻后接地，误差放大器的正电源输入端与逻辑电路的第二输出端相连，误差放大器的负电源输入端与逻辑电路的第三输出端相连，误差放大器的输出端与缓冲器的输入端、补偿电容的一端相连，补偿电容的另一端与第七MOS管的漏极相连，缓冲器的输出端与第七MOS管的栅极、功率管的栅极相连，第七MOS管的源极、功率管的源极接电源，功率管的漏极与第一反馈电阻的一端、负载电阻的一端、第一电阻的一端相连，第一反馈电阻的另一端连接误差放大器的反相输入端，第一电阻的另一端经负载电容后接地，负载电阻的另一端接地。
上述零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，所述电位上拉MOS开关的栅极连接逻辑电路的第一输出端，电位上拉MOS开关的源极接电源，电位上拉MOS开关的漏极连接第七MOS关的漏极。
本发明的有益效果在于：本发明设有电位上拉MOS开关和对应的逻辑电路，增加了电位上拉MOS开关和相应逻辑电路后，很好地解决了因为误差放大器的输出电流不是足够大，造成补偿电容充电到其DC工作点很慢、进而引发的环路振荡的问题。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图2为图1中逻辑电路的电路图。
图3为传统LDO电路的输出仿真图。
图4为本发明的LDO输出仿真图。
图5为传统LDO电路中补偿电容右极板电位瞬态仿真图。
图6为本发明补偿电容右极板电位瞬态仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，包括带隙基准源BG、低压线性稳压器电路（即LDO电路）、逻辑电路、电位上拉MOS开关Mup，带隙基准源BG的输入端输入使能信号En，带隙基准源BG输出基准电压Vref，带隙基准源BG的输出端与低压线性稳压器电路、逻辑电路的输入端、电位上拉MOS开关Mup相连，电位上拉MOS开关Mup与低压线性稳压器电路相连，逻辑电路的输出端与低压线性稳压器电路相连。
所述逻辑电路具有两个输入端和三个输出端，具体包括第一反相器Inv1、第二反相器Inv2、第三反相器Inv3、第四反相器Inv4、第五反相器Inv5、第六反相器Inv6、第七反相器Inv7、与非门Nand、第一延时电容Cd1和第二延时电容Cd2，第一反相器Inv1的输入端作为逻辑电路的第一输入端并连接带隙基准源BG的输出端，第一反相器Inv1的输出端依次连接第二反相器Inv2、第三反相器Inv3、第四反相器Inv4后与与非门Nand的一个输入端相连，与非门Nand的另一个输入端作为逻辑电路的第二输入端并输入使能信号En，与非门Nand的输出端依次连接第五反相器Inv5、第六反相器Inv6、第七反相器Inv7，所述第一延时电容Cd1的一端接地，另一端连接第三反相器Inv3的输入端，所述第二延时电容Cd2的一端接地，另一端连接第七反相器Inv7的输入端；所述第五反相器Inv5的输出端作为逻辑电路的第一输出端Cs1，第七反相器Inv7的输出端作为逻辑电路的第二输出端Cs2，第三反相器Inv3的输出端作为逻辑电路的第三输出端Cs3。
所述第一反相器Inv1包括第一MOS管Mp1、第二MOS管Mn1、第三MOS管Mn2，第一MOS管Mp1的源极接电源，第一MOS的栅极与第二MOS管Mn1的栅极连接在一起并作为第一反相器Inv1的输入端，第一MOS管Mp1的漏极与第二MOS管Mn1的漏极连接在一起并作为第一反相器Inv1的输入端，第二MOS管Mn1的源极与第三MOS管Mn2的漏极连接在一起，第三MOS管Mn2的源极接地，第三MOS管Mn2的栅极输入使能信号En。
所述第六反相器Inv6包括第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管，第四MOS管的源极接电源，第四MOS管的栅极输入偏置电流Ibais，第四MOS管的漏极与第五MOS管的源极相连，第五MOS管的栅极与第六MOS管的栅极相连并作为第六反相器Inv6的输入端，第五MOS管的漏极与第六MOS管的漏极连接在一起并作为第六反相器Inv6的输出端，第六MOS管的源极接地。
BG输出的基准为1.2 V，所以设计Mp1为倒比管，以减少Inv1的电流和保证Inv1的开关阈值小于1.2 V。Inv2至Inv5以及Inv7、与非门Nand为常规结构，Inv6的最大电流通过电流镜限制在Ibias，这样做是为了控制Inv6输出的延时时间。
所低压线性稳压器电路包括误差放大器A1、缓冲器A2、零极点追踪频率补偿的补偿电容Cc、自适应补偿的第七MOS管Mc、功率管Mp、第一反馈电阻Rf1、第二反馈电阻Rf2、负载电阻RL、负载电容CL、第一电阻Resr，所述带隙基准源BG的输出端与误差放大器A1的同相输入端相连，误差放大器A1的反相输入端经第二反馈电阻Rf2后接地，误差放大器A1的正电源输入端与逻辑电路的第二输出端相连，误差放大器A1的负电源输入端与逻辑电路的第三输出端相连，误差放大器A1的输出端与缓冲器A2的输入端、补偿电容Cc的一端相连，补偿电容Cc的另一端与第七MOS管Mc的漏极相连，缓冲器A2的输出端与第七MOS管Mc的栅极、功率管Mp的栅极相连，第七MOS管Mc的源极、功率管Mp的源极接电源，功率管Mp的漏极与第一反馈电阻Rf1的一端、负载电阻RL的一端、第一电阻Resr的一端相连，第一反馈电阻Rf1的另一端连接误差放大器A1的反相输入端，第一电阻Resr的另一端经负载电容CL后接地，负载电阻RL的另一端接地；其中第一电阻Resr为负载电容CL的等效串联电阻。
所述电位上拉MOS开关Mup的栅极连接逻辑电路的第一输出端，电位上拉MOS开关Mup的源极接电源，电位上拉MOS开关Mup的漏极连接第七MOS关的漏极。
本发明的工作原理为：在电源上电完成后，En的初始态为0，此时BG未启动，Vref为0，则Cs1、Cs2和Cs3均为1，Mup断开，A1关闭，使能信号En由0变1，LDO电路开始启动。最先启动的是带隙基准源，Vref从0至1.2 V爬升，在Vref=0 V时，En为1，Mp1和Mn2导通，反相器Inv1输出高电平1，则经过第一延时电容Cd1后（反向器延时相对于电容延时可忽略不计），Cs3输出1、Cs1输出0，在经过第二延时电容Cd2后，Cs2输出高电平，则此时误差放大器处于关闭。Cs1控制的电位上拉MOS开关Mup导通从而迅速将补偿电容Cc的右极板电平迅速拉到其DC工作电平VDD附近，当Vref爬升到Inv1的开关阈值之后，Cs3输出0、Cs1输出1、Cs2输出1，则Mup关闭，Cc冲电完成，运放A1开启。
以上为本发明的电路工作流程，本发明适用于所有零极点追踪频率补偿的LDO电路以及有快速上电稳定需求的其他电路模块，核心在于保证Cc在运放和BG开启之前就充电至其DC工作点。而传统的零极点追踪频率补偿没有相应的电位上拉MOS开关Mup以及对Mup控制的逻辑电路，一旦误差放大器A1的输出电流不是足够大，造成长时间对Cc充电过程中LDO负载突然增大导致反馈环路不稳定而产生振荡。在没有加电位上拉MOS开关Mup以及对Mup控制的逻辑电路的LDO输出仿真图如图3，我们可以很明显地看出有尖峰脉冲，这实际上是振荡的一个过程，在波特图中是看不出来的，但是在实际电路中可以很明显地表现出来，这实际上是一种大信号的过程。
当加了电位上拉MOS开关Mup以及对Mup控制的逻辑电路的LDO输出仿真图如图4所示，我们可以很明显地看到LDO输出在整个上电过程到稳定都是非常平稳的，完全不会出现因为A1放大器的输出电流过小而会产生振荡问题的可能性。
Cc电容右极板电位瞬态仿真结果如图5和图6所示，其中图5为不加电位上拉MOS开关Mup和相应逻辑电路的LDO上电Cc电容右极板电位，从图中可以看出在1.5 ms左右运放开启，LDO上电完成，但是电容Cc只在运放开启时充电至约1.2 V，而后继续缓慢爬坡。使得在整个上电时间此电位上升非常慢，需要很长的时间才能到达DC工作点。假如在此期间负载电流突然变大将会导致整个环路不稳定，进而会出现振荡的问题。图6则为加了电位上拉MOS开关Mup和相应逻辑电路的LDO上电仿真图，在1.5 ms运放开启之前，Cc的电位早已被拉到5 V，运放开启后由于运放自身电容的充放电导致Cc右极板电位稍有下降，但仍然接近5V，此后LDO负载突然变化并不会导致环路振荡。
从以上电路原理以及仿真结果分析，我们可以得出仅仅依靠单管Mc传统的零极点频率追踪，如果误差放大器A1的输出电流不是足够大，造成电容Cc充电到其DC工作点很慢，需要很长的时间，如果在此期间负载电流突然变大将会导致整个环路不稳定，进而会出现振荡的问题。然而本发明增加了电位上拉MOS开关Mup和相应逻辑电路后，就很好地解决了因为误差放大器A1的输出电流不是足够大，造成电容Cc充电到其DC工作点很慢、进而引发的环路振荡问题。

Claims (3)

1.一种零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，其特征在于：包括带隙基准源、低压线性稳压器电路、逻辑电路、电位上拉MOS开关，带隙基准源的输入端输入使能信号，带隙基准源的输出端与低压线性稳压器电路、逻辑电路的输入端、电位上拉MOS开关相连，电位上拉MOS开关与低压线性稳压器电路相连，逻辑电路的输出端与低压线性稳压器电路相连；
所述逻辑电路具有两个输入端和三个输出端，具体包括第一至第七反相器、与非门、第一延时电容和第二延时电容，第一反相器的输入端作为逻辑电路的第一输入端并连接带隙基准源的输出端，第一反相器的输出端依次连接第二反相器、第三反相器、第四反相器后与与非门的一个输入端相连，与非门的另一个输入端作为逻辑电路的第二输入端并输入使能信号，与非门的输出端依次连接第五反相器、第六反相器、第七反相器，所述第一延时电容的一端接地，另一端连接第三反相器的输入端，所述第二延时电容的一端接地，另一端连接第七反相器的输入端；所述第五反相器的输出端作为逻辑电路的第一输出端，第七反相器的输出端作为逻辑电路的第二输出端，第三反相器的输出端作为逻辑电路的第三输出端；
所低压线性稳压器电路包括误差放大器、缓冲器、补偿电容、第七MOS管、功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻、负载电阻、负载电容、第一电阻，所述带隙基准源的输出端与误差放大器的同相输入端相连，误差放大器的反相输入端经第二反馈电阻后接地，误差放大器的正电源输入端与逻辑电路的第二输出端相连，误差放大器的负电源输入端与逻辑电路的第三输出端相连，误差放大器的输出端与缓冲器的输入端、补偿电容的一端相连，补偿电容的另一端与第七MOS管的漏极相连，缓冲器的输出端与第七MOS管的栅极、功率管的栅极相连，第七MOS管的源极、功率管的源极接电源，功率管的漏极与第一反馈电阻的一端、负载电阻的一端、第一电阻的一端相连，第一反馈电阻的另一端连接误差放大器的反相输入端，第一电阻的另一端经负载电容后接地，负载电阻的另一端接地；
所述电位上拉MOS开关的栅极连接逻辑电路的第一输出端，电位上拉MOS开关的源极接电源，电位上拉MOS开关的漏极连接第七MOS管的漏极。
2.根据权利要求1所述的零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，其特征在于：所述第一反相器包括第一至第三MOS管，第一MOS管的源极接电源，第一MOS的栅极与第二MOS管的栅极连接在一起并作为第一反相器的输入端，第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接在一起并作为第一反相器的输入端，第二MOS管的源极与第三MOS管的漏极连接在一起，第三MOS管的源极接地，第三MOS管的栅极输入使能信号。
3.根据权利要求1所述的零极点追踪频率补偿快速稳定LDO电路，其特征在于：所述第六反相器包括第四至第六MOS管，第四MOS管的源极接电源，第四MOS管的栅极输入偏置电流，第四MOS管的漏极与第五MOS管的源极相连，第五MOS管的栅极与第六MOS管的栅极相连并作为第六反相器的输入端，第五MOS管的漏极与第六MOS管的漏极连接在一起并作为第六反相器的输出端，第六MOS管的源极接地。
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