CN112148054A - 应用于极低电压输入多电压输出ldo的反馈网络电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路设计领域，公开了应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路。本发明包括：误差放大器和缓冲电路，用于生成反馈控制信号和驱动功率管；多输出电阻反馈网络，用于在极低电压下输出多路电压；控制电路，用于产生MOS管的控制信号来控制LDO输出。本发明技术优点如下：第一，在极低电压和多电压输出要求下，LDO电压输出的PSRR(电源抑制比)指标依旧可控，带噪声的电源电压不会直接影响输出电压，而是受环路带宽控制；第二，在极低电压与低成本情况下，这种结构可以使开关MOS管获得足够的电压裕度，从而防止出现MOS无法完全导通的情况。

Description

应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路。
背景技术
在集成电路设计领域中，LDO(低压差线性稳压器)处于十分核心的地位。LDO用于给电路板上的其他模块提供最基础的电源电压信号。为了实现低功耗，人们希望芯片的电源电压越低越好，这也对LDO提出来了更加苛刻的要求。LDO在低输入电压的情况下，各个功能模块的电源电压也跟着降低，这给芯片输出电压的PSRR(电源抑制比)指标以及LDO的多输出功能带来了极大的挑战。
在设计多输出模式时，常用的是电阻修调网络。传统的结构是改变反馈电压与输出电压之间的电阻，这样可以方便电阻网络设计。但是这种结构有两种极为严重的缺点，第一它输出的PSRR不受环路控制，输入噪声直接耦合到输出，恶化了输出信号的性能，第二这种结构不适合于低电压应用，在低电压情况下，MOS开关无法完全导通导致电路失效。
在LDO的负反馈环路控制模式下，LDO输出的PSRR值在带宽内近似等于环路增益，所以可以控制输出的PSRR。通过这种原理，可以利用不同技术将其PSRR提升到想要的水平。然而，在多输出电阻网络修调模式下，需要用不干净的电源电压去修调电阻，而这个电阻正好位于反馈电压与输出电压之间，如图2所示，这使得环路控制失效，电源电压可以直接影响输出，使得输出的PSRR值降低。
在低电压情况下，CMOS工艺的MOS开关面临的问题有两个，第一是MOS管的源极电压总是大于反馈电压VFK，第二是MOS开关序号越小，如图2所示，其源极电压就越高。这两个因素导致了MOS开关面临电压裕度不够的问题。
若选择通过串联方式改变反馈电压与地之间的电阻，如图3所示，输出电压的PSRR指标变得由环路控制，但是它依旧面临着低电压下MOS管无法完全导通的难题。在两个导致MOS开关电压裕度不够的因素中，这种结构可以解决第一个，但是第二个却无法解决。
综上所述，在多输出以及高PSRR需求下，传统的输入LDO芯片电阻反馈网络电路难以解决低电压输入低成本下保持LDO性能不下降影响的难题。
发明内容
为了克服现有LDO技术的在低电压输入且多电压输出情况下难以提高PSRR的问题，本发明提供了应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路。
本发明在传统多电压输出LDO的基础上，设计了新的电阻反馈网络。本发明技术优点如下：第一，在极低电压和多电压输出要求下，LDO电压输出的PSRR(电源抑制比)指标依旧可控，带噪声的电源电压不会直接影响输出电压，而是受环路带宽控制；第二，在极低电压与低成本情况下，这种结构可以使开关MOS管获得足够的电压裕度，从而防止出现MOS无法完全导通的情况。对本设计的具体描述如下：
应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，包括误差放大器和缓冲电路，多输出电阻反馈网络，控制电路；
所述的误差放大器和缓冲电路包括误差放大器EA和缓冲器BF，误差放大器的输入负极接基准电压源信号VBG，误差放大器EA正极接反馈电压VFK，误差放大器EA用于放大基准信号VBG与反馈电压VFK的电压差值；误差放大器EA的输出接缓冲器BF的输入，缓冲器BF的输出接功率管，用于驱动功率管；
所述的多输出电阻反馈网络包括电阻R1、R2直到Rn，NMOS管N1、N2直到Nn，其中n是自然数，以及反馈电阻Ra；电阻R1正极接电阻反馈Ra负极，产生反馈电压VFK，电阻R1负极接NMOS管N1漏极，NMOS管N1的栅极接控制电压V1，NMOS管N1源极接地；电阻R2正极接反馈电阻Ra负极，电阻R2负极接NMOS管N2漏极，NMOS管N2的栅极接控制电压V2，NMOS管N2源极接地GND，电阻Rn正极接反馈电阻Ra负极，电阻Rn负极接NMOS管Nn漏极，NMOS管Nn的栅极接控制电压Vn，NMOS管Nn源极接地GND；
所述的控制电路包括译码器Y1，译码器Y1的输入接输出电压选择信号A1、A2直到Am，其中m为可调的自然数，译码器Y1的输出为MOS开关的控制信号V1、V2直到Vn，其中n是可调的自然数，译码器Y1用于将二进制输入信号转为控制信号；
进一步的，所述的多输出电阻反馈网络，电阻排列形式是并联，通过MOS开关增减反馈电压VFK节点跟地GND之间的电流。
进一步的，所述的NMOS管N1、N2直到Nn均为普通阈值的NMOS管，不需要额外特殊工艺调整阈值。
进一步的，所述的NMOS管N1、N2直到Nn阈值电压比LDO的电源电压VDD略低。
进一步的，所述的电阻器件R1、R2、直到Rn与Ra为片上集成的栅极电阻。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
第一，电压输出的PSRR(电源抑制比)可控，不干净的电源电压不会直接影响输出，而是受环路带宽控制；
第二，在低电压与低成本情况下，这种结构可以使开关MOS管获得足够的电压裕度，从而防止出现MOS无法完全导通的情况。
本发明的电阻反馈网络设计方法应用于多输出LDO芯片设计之中，可在低成本实现极低电压输入需求，同时保持其PSRR性能不下降。
附图说明
图1是传统LDO结构示意图；
图2是一多电压输出LDO结构示意图；
图3是一种高PSRR的多输出LDO结构示意图；
图4是本发明实施例应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但是所做示例不作为对本发明的限制。
如图1所示的传统LDO结构示意图，系统包括误差放大器和缓冲电路，电阻反馈网络，控制电路，
所述的误差放大器和缓冲电路包括误差放大器EA和缓冲器BF，误差放大器的输入负极接基准电压源信号VBG，误差放大器正极接反馈电压VFK，误差放大器用于放大基准信号与反馈信号的电压差值。误差放大器的输出接缓冲器的输入，缓冲器的输出接功率管P1的栅极，用于驱动功率管P1；
所述的电阻反馈网络包括电阻R1和电阻Ra，电阻R1正极接功率管P1漏极，电阻R1负极接电阻Ra正极，电阻Ra负极接地GND；
如图2所示的一种多电压输出LDO结构示意图，包括误差放大器和缓冲电路，多输出电阻反馈网络，控制电路。
所述的控制电路包括译码器Y1以及译码器输出的缓冲电路，译码器的输入接输出电压选择信号A1、A2直到Am，其中m为可调的自然数，译码器的输出为MOS开关的控制信号V1、V2直到Vn，其中n是可调的自然数，译码器用于将二进制输入信号转为控制信号。
这种结构有两种极为严重的缺点，第一它输出的PSRR指标不受环路控制，输入电源电压噪声直接耦合到输出，恶化了输出信号的性能，第二这种结构不适合于极低电压应用，在极低电压情况下，MOS开关无法完全导通，从而导致电路失效。
图3所示为一种高PSRR的多输出LDO结构示意图，通过串联方式改变反馈电压与地之间的电阻，输出电压的PSRR指标变得由环路控制，但是它依旧面临着极低电压下MOS开关管无法完全导通的难题。
图4是本发明实施例应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路示意图。首先，修调网络位于反馈电压VFK与地GND之间，环路控制不会失效，电源电压噪声因此不会直接影响输出。其次，在极低电压情况下，所有MOS开关的源极电压都为地GND，所以电源电压只要比阈值电压略高，MOS开关管便可完全导通。
应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，包括误差放大器和缓冲电路，多输出电阻反馈网络，控制电路；
所述的误差放大器和缓冲电路包括误差放大器EA和缓冲器BF，误差放大器的输入负极接基准电压源信号VBG，误差放大器EA正极接反馈电压VFK，误差放大器EA用于放大基准信号VBG与反馈电压VFK的电压差值；误差放大器EA的输出接缓冲器BF的输入，缓冲器BF的输出接功率管，用于驱动功率管；
所述的多输出电阻反馈网络包括电阻R1、R2直到Rn，NMOS管N1、N2直到Nn，其中n是自然数，以及反馈电阻Ra；电阻R1正极接电阻反馈Ra负极，产生反馈电压VFK，电阻R1负极接NMOS管N1漏极，NMOS管N1的栅极接控制电压V1，NMOS管N1源极接地；电阻R2正极接反馈电阻Ra负极，电阻R2负极接NMOS管N2漏极，NMOS管N2的栅极接控制电压V2，NMOS管N2源极接地GND，电阻Rn正极接反馈电阻Ra负极，电阻Rn负极接NMOS管Nn漏极，NMOS管Nn的栅极接控制电压Vn，NMOS管Nn源极接地GND；
所述的控制电路包括译码器Y1，译码器Y1的输入接输出电压选择信号A1、A2直到Am，其中m为可调的自然数，译码器Y1的输出为MOS开关的控制信号V1、V2直到Vn，其中n是可调的自然数，译码器Y1用于将二进制输入信号转为控制信号；
所述的多输出电阻反馈网络，电阻排列形式是并联，通过MOS开关增减反馈电压VFK节点跟地GND之间的电流。
所述的NMOS管N1、N2直到Nn均为普通阈值的NMOS管，不需要额外特殊工艺调整阈值。
所述的NMOS管N1、N2直到Nn阈值电压比LDO的电源电压VDD略低。
所述的电阻器件R1、R2、直到Rn与Ra为片上集成的栅极电阻。

Claims (5)

1.应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，其特征在于：所述电路包括误差放大器和缓冲电路，多输出电阻反馈网络，控制电路：
所述的误差放大器和缓冲电路包括误差放大器EA和缓冲器BF，误差放大器的输入负极接基准电压源信号VBG，误差放大器EA正极接反馈电压VFK，误差放大器EA用于放大基准信号VBG与反馈电压VFK的电压差值；误差放大器EA的输出接缓冲器BF的输入，缓冲器BF的输出接功率管，用于驱动功率管；
所述的多输出电阻反馈网络包括电阻R1、R2直到Rn，NMOS管N1、N2直到Nn，其中n是自然数，以及反馈电阻Ra；电阻R1正极接电阻反馈Ra负极，产生反馈电压VFK，电阻R1负极接NMOS管N1漏极，NMOS管N1的栅极接控制电压V1，NMOS管N1源极接地；电阻R2正极接反馈电阻Ra负极，电阻R2负极接NMOS管N2漏极，NMOS管N2的栅极接控制电压V2，NMOS管N2源极接地GND，电阻Rn正极接反馈电阻Ra负极，电阻Rn负极接NMOS管Nn漏极，NMOS管Nn的栅极接控制电压Vn，NMOS管Nn源极接地GND；
所述的控制电路包括译码器Y1，译码器Y1的输入接输出电压选择信号A1、A2直到Am，其中m为可调的自然数，译码器Y1的输出为MOS开关的控制信号V1、V2直到Vn，其中n是可调的自然数，译码器Y1用于将二进制输入信号转为控制信号。
2.如权利要求1所述的应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，其特征在于：所述的多输出电阻反馈网络，电阻排列形式是并联，通过MOS开关增减反馈电压VFK节点跟地GND之间的电流。
3.如权利要求1所述的应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，其特征在于：所述的NMOS管N1、N2直到Nn均为普通阈值的NMOS管，不需要额外特殊工艺调整阈值。
4.如权利要求1所述的应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，其特征在于：所述的NMOS管N1、N2直到Nn阈值电压比LDO的电源电压VDD略低。
5.如权利要求1所述的应用于极低电压输入多电压输出LDO的反馈网络电路，其特征在于：所述的电阻器件R1、R2、直到Rn与Ra为片上集成的栅极电阻。
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