CN112947666A - 一种高电源抑制比的线性稳压器与大电流低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高电源抑制比的线性稳压器与大电流低噪声放大器。所述线性稳压器包括基准电路、预稳压电路、误差放大电路、功率调整电路、反馈电路以及保护电路。所述预稳压电路包括第一放大网络、第二电阻网络以及第三放大网络；所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的所述第一放大网络的输入；所述预稳压电路的所述第三放大网络的输出作为所述误差放大电路的输入；所述误差放大电路连接至所述功率调整电路，所述功率调整电路通过分压电阻网络连接至所述反馈电路；所述保护电路与所述预稳压电路、所述误差放大电路连接；所述线性稳压器通过所述分压电阻网络与输出负载连接。所述大电流低噪声放大器基于所述线性稳压器实现。
Description
技术领域
本发明属于模拟电路技术领域，尤其涉及一种高电源抑制比的线性稳压器与大电流低噪声放大器。
背景技术
线性稳压器(Linear Regulator)使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。其产品均采用小型封装，具有出色的性能，并且提供热过载保护、安全限流等增值特性，关断模式还能大幅降低功耗。随着便携式电子产品的飞速发展，对具有高性能、高效率的工作电源要求越来越高。目前大多数用于移动产品中的主要电源管理芯片为开关式稳压器和线性稳压器。
线性稳压器结构简单、输出噪声小并且其静态电流较低，所有这些特点使它们成为各种电源管理系统中最重要的模块之一。线性稳压器可分为两种不同的拓扑：常规线性稳压器和低压差线性稳压器即LDO，这两种类型稳压器之间的主要区别在于功率晶体管和压差电压。就外围器件而言，LDO转换效率随着输入电压和输出电压之差以及负载电流的增大而降低，因此LDO通常适用于低功耗低负载电流且输入输出电压压差较小的电源管理系统。
线性稳压器的设计目标一般是具有相对宽频率范围的电源抑制比和较低的静态电流。例如，由美国半导体元件工业有限责任公司提交的中国发明专利申请CN202010684684.7提出一种具有用于过流保护的限流器的电压稳压器。该限流器由从输出电流导出的一个或多个电流供电。在该输出电流为零的无负载条件下，为该限流器供电的该一个或多个电流可为零。然而，随着该输出电流增大，为该限流器供电的该一个或多个电流可成比例增大。因此，该限流器在无负载条件下可具有零静态电流，但是可被供电以在高电流条件下保护该电压稳压器。
在非专利文献方面，在Rincon Mora等人使用了直观分析法来对LDO的电源抑制比进行分析("High Power-Supply-Rejection(PSR)Current-Mode Low-Dropout(LDO)Regulator,"in IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,vol.57,no.11,pp.868-873,Nov.2010)后，其他研究人员也得到了启发；Mohamed El-Nozahi等人提出的前馈纹波抵消技术(High PSR Low Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Technique[J].IEEE Journal of Solid StateCircuits,2010,45(3):0-577)至今仍然广泛应用于提高LDO的电源抑制比并得到了其他研究人员的不断改进。
然而，如何设计出能够应用于大电流低噪声放大器的线性稳压器，同时具备较高电源抑制比并确保较低功耗以及系统稳定性，仍然是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高电源抑制比的线性稳压器与大电流低噪声放大器。所述线性稳压器包括基准电路、预稳压电路、误差放大电路、功率调整电路、反馈电路以及保护电路。所述预稳压电路包括第一放大网络、第二电阻网络以及第三放大网络；所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的所述第一放大网络的输入；所述预稳压电路的所述第三放大网络的输出作为所述误差放大电路的输入；所述误差放大电路连接至所述功率调整电路，所述功率调整电路通过分压电阻网络连接至所述反馈电路；所述保护电路与所述预稳压电路、所述误差放大电路连接；所述线性稳压器通过所述分压电阻网络与输出负载连接。所述大电流低噪声放大器基于所述线性稳压器实现。
具体而言，本发明提出的高电源抑制比的线性稳压器，包括基准电路、预稳压电路、误差放大电路、功率调整电路、反馈电路以及保护电路。
其中，所述基准电路包括启动电路、前置控制电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路；
所述预稳压电路包括第一放大网络、第二电阻网络以及第三放大网络；
所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的所述第一放大网络的输入；
所述预稳压电路的所述第三放大网络的输出作为所述误差放大电路的输入；
所述误差放大电路连接至所述功率调整电路，所述功率调整电路通过分压电阻网络连接至所述反馈电路；
所述保护电路与所述预稳压电路、所述误差放大电路连接；
所述线性稳压器通过所述分压电阻网络与输出负载连接。
所述基准电路的所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路；
所述前置控制电路产生第一前置控制信号和第二前置控制信号；
所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路和所述正温度系数电路的输入；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路的输入；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电路的输出。
所述误差放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路以及第三电流镜；
所述第一级放大电路与所述第三电流镜连接，并通过所述第三电流镜连接至所述第二级放大电路；
所述第一级放大电路包括第一输入端、第二输入端和第三输出端；
所述第二级放大电路包括第四输入端、第五输入端和第六输出端；
所述第三电流镜与所述第二输入端、所述第三输出端以及所述第四输入端连接。
基于上述线性稳压器，本发明提出一种大电流低噪声放大器，所述大电流低噪声放大器包括前置驱动电路和功率调整管，在所述前置驱动电路和所述功率调整管之间连接前述的线性稳压器。
本发明提出的线性稳压器具有精度高和抗噪能力强等特点，可为USB、LED和移动类电子产品进行有效供电；基于该线性稳压器应用的各种负载，包括LED和BUCK转换器，系统稳定，性能良好。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
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是本发明一个实施例的一种高电源抑制比的线性稳压器的模块组合架构图
图2是图1中所述线性稳压器使用的基准电路的结构图
图3是图1中所述线性稳压器使用的预稳压电路结构示意图
图4是图1中所述线性稳压器使用的误差放大电路结构示意图
图5是基于图1中所述线性稳压器实现的大电流低噪声放大器示意图
具体实施方式
首先需要指出的是，在各个实施例的附图中，除特别之处，附图应当仅仅是部分关键性结构的示意性表示，并不代表全部结构。附图中也可能并未全部画出所有元器件的所有连接端口以及连接关系或者元器件参数值(例如电阻值、电容值、基准电压值等)，但是，涉及到本发明技术方案的关键性结构在各个附图中均有明确表示，其他未示出的结构或者连接关系，遵从本领域的惯用实验手段，本发明对此未一一展开说明，但是并不影响本领域技术人员对于本发明技术方案的理解。
参见图1，本发明一个实施例的种高电源抑制比的线性稳压器的模块组合架构图。
在图1中，所述高电源抑制比的线性稳压器，包括基准电路、预稳压电路、误差放大电路、功率调整电路、反馈电路以及保护电路。
所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的输入；所述预稳压电路的输出作为所述误差放大电路的输入；所述误差放大电路连接至所述功率调整电路，所述功率调整电路通过分压电阻网络连接至所述反馈电路；所述保护电路与所述预稳压电路、所述误差放大电路连接；所述线性稳压器通过所述分压电阻网络与输出负载和反馈电路连接，并且，所述反馈电路的输出连接至所述基准电路和所述误差放大电路的输入。
在所述反馈电路中，功率调整电路的输出电压经由电阻串联的反馈网络后反馈回误差放大电路的输入级。
所述保护电路避免器件损坏，包括具有折返功能的内部限流、热限制、反向电流和反向电压保护等模块。
图1中使用的基准电路为带隙基准电压源，其具体结构参见图2。
图2中，所述基准电路包括启动电路、前置控制电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路。
所述基准电路的所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路；
所述前置控制电路产生第一前置控制信号和第二前置控制信号；
所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路和所述正温度系数电路的输入；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路的输入；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电路的输出。
更具体的，所述启动电路包括第一至第十晶体管；
第一晶体管连接至电压源VDD，并且通过源极连接至所述前置控制电路、第四晶体管的栅极以及第七晶体管的源极；第二晶体管的栅极连接至第一晶体管的漏极以及第三晶体管的栅极；第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极、栅极以及第五晶体管的漏极连接；所述第五晶体管通过栅极连接至第八晶体管与第十晶体管；所述第五晶体管还通过源极连接至第六晶体管的漏极；所述第六晶体管与第九晶体管通过栅极对接，第九晶体管与所述第十晶体管通过源极对接。
所述亚阈电流产生电路包括两个PMOS管构成的电流镜电路，产生亚阈工作电流。
所述负温度系数电路包括多个尺寸完全一致的NPOS管，所述多个NPOS管的动作状态相同，同时处于饱和状态或者亚阈状态。
所述正温度系数电路包括级联正温度系数电路和电压调压管；所述级联正温度系数电路包括两组不同的共栅串联NMOS管，所述两组不同的共栅串联NMOS管的漏极电流均来源于所述亚阈电流产生电路产生的亚阈电流。
所述前置控制电路包括第一PMOS管、第三PMOS管、第五PMOS管、第二NMOS管、第四NMOS管以及可变电容C和可变电阻R；
其中，第一PMOS管和第二NMOS管通过栅极对接，第三PMOS管和第四NMOS管通过栅极对接；
第三PMOS管、第一PMOS管和第五PMOS管的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；
第五PMOS管的漏极连接至可变电容C的第二端；
所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；
第四NMOS管的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述启动电路。
在图1基础上，继续参见图3。
所述预稳压电路包括第一放大网络、第二电阻网络以及第三放大网络；
图2所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的所述第一放大网络的输入；所述预稳压电路的所述第三放大网络的输出作为所述误差放大电路的输入。
更具体的，在图3中，所述预稳压电路的所述第一放大网络包括共栅极连接的MOS管M1和M2以及共源极连接的MOS管M3和M4以及漏极与所述MOS管M1和M2的共栅极连接的MOS管M0；
其中，所述MOS管M1的漏极与所述MOS管M3的漏极连接；所述MOS管M2的漏极与所述MOS管M4的漏极连接；
所述MOS管M1、M2、M0的源极共一个端点，所述端点作为所述预稳压电路的输入端；所述第一放大网络通过所述MOS管M0的栅极连接至所述第二电阻网络。
所述第二电组网络包括电阻R1-R4以及电容C0；
其中，R1、R3、R4的第一端共端点，R1和R2串联，R3和C0串联。
所述预稳压电路的所述第三放大网络包括共栅共源连接的MOS管P2、P3、P4以及栅极与所述MOS管P3的漏极连接的MOS管P1；
所述第三放大网络通过所述MOS管P3的漏极以及所述MOS管P1的栅极连接至所述第二电阻网络；
所述MOS管P1和P3的漏极共一个端点，所述端点作为所述预稳压电路的输出端。
在图1基础上，继续参见图4。图4是图1中所述线性稳压器使用的误差放大电路结构示意图。
在图4中，所述误差放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路以及第三电流镜；
所述第一级放大电路与所述第三电流镜连接，并通过所述第三电流镜连接至所述第二级放大电路；
所述第一级放大电路包括第一输入端、第二输入端和第三输出端；
所述第二级放大电路包括第四输入端、第五输入端和第六输出端；
所述第三电流镜与所述第二输入端、所述第三输出端以及所述第四输入端连接。
所述第一级放大电路包括第一放大器和至少一个NMOS管NM0；
所述第二级放大电路包括第二放大器和第三放大器以及电阻R3；
所述第二放大器与所述第三放大器串联；
所述电阻R3连接所述第二放大器的输入端和所述第三放大器的输入端。
所述第三电流镜由两个PMOS管PM1、PM2以及三个NMOS管NM1、NM2、NM3构成；
其中，NMOS管NM1和NM2共栅极连接；MOS管NM3和PMOS管PM1共栅极连接；PMOS管PM2的漏极连接至所述第一放大器的输入端，PMOS管PM2的栅极通过晶体管Q0连接至所述NMOS管NM0。
图5是基于图1中所述线性稳压器实现的大电流低噪声放大器示意图。
图5中，所述大电流低噪声放大器包括前置驱动电路、功率调整管以及负载。
在所述前置驱动电路和所述功率调整管之间连接有图1所述的线性稳压器。
所述负载可以是BuCK型转换器或者LED电荷泵或者USB驱动器。
因此，图5所述的大电流低噪声放大器应用于BuCK型转换器、LED电荷泵的启动电路以及USB电路中。
本发明通过采用预稳压调节和噪声抵消技术，实现了高电源抑制比的线性稳压器，具有成本低、电路结构简单、静态功耗低、有良好的电源纹波抑制作用等优点，在电子系统产品领域中有着广泛的应用。
电路测试结果表明性能良好，稳压器的输出线性调整率为0.05％/V，负载调整率为5.15％，静态电流不高于25A，PSRR可达到129dB，符合设计指标要求，同时电路具有精度高和抗噪能力强等特点，可为USB和移动类电子产品进行有效供电。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高电源抑制比的线性稳压器，包括基准电路、预稳压电路、误差放大电路、功率调整电路、反馈电路以及保护电路；
其特征在于：
所述基准电路包括启动电路、前置控制电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路；
所述预稳压电路包括第一放大网络、第二电阻网络以及第三放大网络；所述基准电路的输出作为所述预稳压电路的所述第一放大网络的输入；
所述预稳压电路的所述第三放大网络的输出作为所述误差放大电路的输入；
所述误差放大电路连接至所述功率调整电路，所述功率调整电路通过分压电阻网络连接至所述反馈电路；
所述保护电路与所述预稳压电路、所述误差放大电路连接；
所述线性稳压器通过所述分压电阻网络与输出负载连接。
2.如权利要求1所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述基准电路的所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路；
所述前置控制电路产生第一前置控制信号和第二前置控制信号；
所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路和所述正温度系数电路的输入；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路的输入；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电路的输出。
3.如权利要求1或2所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述预稳压电路的所述第一放大网络包括共栅极连接的MOS管M1和M2以及共源极连接的MOS管M3和M4以及漏极与所述MOS管M1和M2的共栅极连接的MOS管M0；
其中，所述MOS管M1的漏极与所述MOS管M3的漏极连接；所述MOS管M2的漏极与所述MOS管M4的漏极连接；
所述MOS管M1、M2、M0的源极共一个端点，所述端点作为所述预稳压电路的输入端；所述第一放大网络通过所述MOS管M0的栅极连接至所述第二电阻网络。
4.如权利要求1或2所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述预稳压电路的所述第三放大网络包括共栅共源连接的MOS管P2、P3、P4以及栅极与所述MOS管P3的漏极连接的MOS管P1；
所述第三放大网络通过所述MOS管P3的漏极以及所述MOS管P1的栅极连接至所述第二电阻网络；
所述MOS管P1和P3的漏极共一个端点，所述端点作为所述预稳压电路的输出端。
5.如权利要求1或2所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述误差放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路以及第三电流镜；
所述第一级放大电路与所述第三电流镜连接，并通过所述第三电流镜连接至所述第二级放大电路；
所述第一级放大电路包括第一输入端、第二输入端和第三输出端；
所述第二级放大电路包括第四输入端、第五输入端和第六输出端；
所述第三电流镜与所述第二输入端、所述第三输出端以及所述第四输入端连接。
6.如权利要求5所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述第一级放大电路包括第一放大器和至少一个NMOS管NM0；
所述第二级放大电路包括第二放大器和第三放大器以及电阻R3；
所述第二放大器与所述第三放大器串联；
所述电阻R3连接所述第二放大器的输入端和所述第三放大器的输入端。
7.如权利要求6所述的一种高电源抑制比的线性稳压器，其特征在于：
所述第三电流镜由两个PMOS管PM1、PM2以及三个NMOS管NM1、NM2、NM3构成；
其中，NMOS管NM1和NM2共栅极连接；MOS管NM3和PMOS管PM1共栅极连接；PMOS管PM2的漏极连接至所述第一放大器的输入端，PMOS管PM2的栅极通过晶体管Q0连接至所述NMOS管NM0。
8.一种大电流低噪声放大器，所述大电流低噪声放大器包括前置驱动电路和功率调整管，其特征在于，在所述前置驱动电路和所述功率调整管之间连接有如权利要求1-7任一项所述的线性稳压器。
9.如权利要求8所述的一种大电流低噪声放大器，其特征在于：
所述大电流低噪声放大器应用于BuCK型转换器中。
10.如权利要求8所述的一种大电流低噪声放大器，其特征在于：
所述大电流低噪声放大器应用于LED电荷泵的启动电路中。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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