CN113311902A

CN113311902A - 一种静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器

Info

Publication number: CN113311902A
Application number: CN202110619169.5A
Authority: CN
Inventors: 杨建红; 黄宇粮; 彭锦森; 龙春宇; 尹晋超; 白宇杰; 吕秀睿; 罗亚南
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-08-27

Abstract

本发明公开了一种静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器，包括依次相连接的误差放大器、源极跟随器和输出级单元，误差放大器和源极跟随器还通过电容与输出级单元相连接；误差放大器和输出级单元还与偏置电路相连接。该低功耗稳压器的静态工作电流小于10μA，在此极小的静态电流下、在无片电容的条件下仍然能够满足稳压器高瞬态响应的特点，并能带载20mA负载，同时满足在100μA负载时相位裕度仍然大于60°。

Description

一种静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器

技术领域

本发明属于集成电路模拟设计技术领域，涉及一种稳压器，具体涉及一种静态电流小于10μA且无片外电容且具有高瞬态响应的低功耗稳压器。

背景技术

基本结构的低压差线性稳压器（LDO）中，为了稳定环路，给下级供电时输出端需要外接大的负载电容。由于输出端电容能存储和提供电荷，可以起到抑制输出过冲电压的作用。由于LDO功率管尺寸很大，其栅极有很大的电容，导致功率管栅极处形成的次极点频率较低而与输出端形成的主极点较接近，这会使LDO反馈环路的传输特性的相位裕度很小，容易使环路不稳定。输出端接大的补偿电容后，使输出端产生的极点左移成为更低频率的主极点，拉大与次极点的距离，使次极点在单位增益带宽外，从而保证环路的稳定性。但增加环路稳定性的同时牺牲了一定量的带宽。

另外，在模数转换器或要求低噪声的射频电路中，都需要LDO为各模块稳压供电，如果输出端附加频率补偿的片外大电容，就需要在芯片上专门为外接电容留有引脚的焊盘位置；如果将输出端的频率补偿电容设计在芯片内，则通常由于需要的补偿电容尺寸较大，会额外占用不少芯片面积。因此，输出端的补偿电容无论放在片外还是放在片内，都会浪费一定的芯片面积，增加成本，而且还会使片上系统的芯片集成困难。

为解决上述问题，无片外电容已成为LDO设计的基本要求。在某些特定场景下，对于电路的低功耗有着严格的要求，即对电路的电流消耗有严格限制。但是电流减小会对电路或系统的瞬态响应产生重要影响。

因此研发一种低功耗同时具有高瞬态响应且无片外电容的稳压器有其应用场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的静态电流小于10μA且无片外电容高瞬态响应低功耗稳压器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器，包括依次相连接的误差放大器、源极跟随器和输出级单元，误差放大器和源极跟随器还通过电容与输出级单元相连接；误差放大器和输出级单元还与偏置电路相连接。

本发明低功耗稳压器的静态工作电流小于10μA，在此极小的静态电流下、在无片电容的条件下仍然能够满足稳压器高瞬态响应，并能带载20mA负载，同时满足在100μA负载时相位裕度仍然大于60°。

附图说明

图1是本发明低功耗稳压器的示意图。

图2是本发明低功耗稳压器的电路示意图。

图3是带隙基准电路和本发明低功耗稳压器联合仿真示意图。

图1和图2中：1.误差放大器，2.源极跟随器，3.输出级单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明低功耗稳压器，包括依次相连接的误差放大器1、源极跟随器2和输出级单元3，误差放大器1和源极跟随器2还通过电容C1与输出级单元3相连接；误差放大器1和输出级单元3还与偏置电路4相连接。

误差放大器1包括场效应晶体管N1、场效应晶体管N2、场效应晶体管N5、场效应晶体管N3、场效应晶体管N4、场效应晶体管P9、场效应晶体管P3、场效应晶体管P1和场效应晶体管P2。源极跟随器2包括电阻R1、场效应晶体管P6和场效应晶体管P4。输出级单元3包括功率晶体管P5和场效应晶体管N9。偏置电路4包括场效应晶体管N6、场效应晶体管N7、场效应晶体管N8、场效应晶体管P7和场效应晶体管P8。

本发明低功耗稳压器的电路图，如图2。包括栅极分别与第二接点b相连接的场效应晶体管N5、场效应晶体管N9、场效应晶体管N7和场效应晶体管N8；场效应晶体管N7栅极还接场效应晶体管N7的漏极和场效应晶体管N6的源极，场效应晶体管N6的栅极接输入端PD，场效应晶体管N6的漏极接基准电流ilμ；场效应晶体管N5的源极、场效应晶体管N3的源极、场效应晶体管N4的源极、场效应晶体管P4的漏极、场效应晶体管N9的源极、场效应晶体管N8的源极和场效应晶体管N7的源极均与第三接点c相连接；场效应晶体管N5的漏极分别接场效应晶体管N1的源极和场效应晶体管N2的源极，场效应晶体管N1的栅极接输入端VREF；场效应晶体管N2的栅极接反向输入端VFB（此处可以理解为将场效应晶体管N2的栅极连接至芯片外部，便于后续的芯片测试工作）；场效应晶体管N3的栅极接场效应晶体管N3的漏极、场效应晶体管N4的栅极和场效应晶体管P9的漏极，场效应晶体管N4的漏极分别接场效应晶体管P4的栅极、电容C1的一端和场效应晶体管P3的漏极，场效应晶体管P4的源极分别接电阻R1的一端、场效应晶体管P6的漏极、场效应晶体管P6的栅极和功率晶体管P5的栅极；场效应晶体管P9的栅极、场效应晶体管P3的栅极、场效应晶体管P7的栅极和场效应晶体管P7的漏极均接场效应晶体管N8的漏极；场效应晶体管P9的源极接场效应晶体管N2的漏极和场效应晶体管P1的漏极，场效应晶体管P3的源极接场效应晶体管N1的漏极和场效应晶体管P2的漏极；场效应晶体管P1的栅极、场效应晶体管P2的栅极、场效应晶体管P8的栅极和场效应晶体管P8的漏极均接场效应晶体管P7的源极；场效应晶体管P1的源极、场效应晶体管P2的源极、电阻R1的另一端、场效应晶体管P6的源极、功率晶体管P5的源极和场效应晶体管P8的源极均与第一接点a相连接；功率晶体管P5的漏极、电容C1的另一端、场效应晶体管N9的漏极和反向输入端VFB均接引脚VOUT。

场效应晶体管P4的源极接电阻R1和场效应晶体管P6，其中电阻R1为场效应晶体管P4提供静态偏置电流，同时也充当场效应晶体管P4负载的角色。场效应晶体管P6是场效应晶体管P4的动态偏置，一方面当输出级输出大电流时，场效应晶体管P6和功率晶体管P5构成一组电流镜，场效应晶体管P6会按照一定比例复制功率晶体管P5的电流，并且该电流能够几乎全部流到场效应晶体管P4，这样就能确保该电路的动态性能优异；另一方面，当输出级输出小电流时，场效应晶体管P6和功率晶体管P5构成一组电流镜，场效应晶体管P6会按照一定比例复制功率晶体管P5的电流，那么此时的场效应晶体管P6的电流是极小的，所以此时电路的功耗表现也是优异的（因为电路功耗公式为P=V×I，即电路功耗等于电源电压乘以电路总电流，一般认为电源电压是恒定不变的，电流随着电路负载的改变而改变。电流范围即设计指标中电流带载能力从100μA到20mA。电路总的电流又包括有用的和无用的两部分。简单来讲本发明稳压器中无用电流部分相当少，更通俗的讲就是浪费更少的电流。所以说电路功耗表现是优异的）。

功率晶体管P5是输出级功率晶体管，功率晶体管P5的宽长比要结合设计所能带最大负载电流而确定。由于功率晶体管P5的尺寸（长是300nm，总的宽为3200000nm）是普通晶体管尺寸（普通晶体管的宽大概为长的10倍量级左右，如在一些运放设计中晶体管的宽为8000 nm而长仅取1000nm）的千倍量级，所以功率晶体管P5带来的寄生电容效应不可忽略。进一步的，为了本发明稳压器频率的稳定性，把功率晶体管P5源级的极点作为本发明稳压器电路的主极点。我们希望主极点和次极点能有效分开，进一步的即主极点尽可能的小而次极点尽可能的大。经比较可知，功率晶体管P5的栅极电容较大，从而在本发明稳压器电路中功率晶体管P5的栅极所确定的极点一定是电路的次极点。通过场效应晶体管P6镜像功率晶体管P5的电流可以做到次极点跟随主极点移动，从而保证了本发明稳压器频率的稳定性。

输出电压VOUT直接连接回误差放大器1的反向输入端VFB构成闭环负反馈。在这里需要指出的是，因为在本发明稳压器电路设计中想要得到的电压为1.2V，如果在别的设计中期望获得的电压是低于1.2V的，可以考虑在VOUT处串接一系列阻值合适的电阻，从而可以获得期望电压。

误差放大器1具有正向输入端、反向输入端和一个输出端，该正向输入端与带隙基准电路（bandgap）提供的基准电压相连，如图3。该带隙基准电路给本发明低功耗稳压器提供一个1.19918V的基准电压（对应图2中的VREF）和一个1.003μA的基准电流（对应图2中的i1μ）。由于本发明低功耗稳压器要求输出电压为1.2V+/-1%，而带隙基准电路提供的参考电压也恰好为1.2V+/-1%范围之内，直接将本发明低功耗稳压器电路的输出接回误差放大器1的反向输入端。误差放大器1后接一级放大电路的目的是使得输出端的栅极的极点分裂，同时也是出于电路瞬态响应的考量给源极跟随器2增加一个动态偏置电流电路，从而使得LDO电路具有高瞬态响应的同时实现低功耗。场效应晶体管N6作为电路的总开关，用以控制本发明稳压器电路的开启和关断。这是一个电路的额外附加功能。场效应晶体管N7、场效应晶体管N8、场效应晶体管N5和场效应晶体管N9是一组NMOS电流镜，该组电流镜以场效应晶体管N7的电流为参考，而场效应晶体管N7的电流即为流过场效应晶体管N6漏极的电流，进一步的即为带隙基准电路提供的参考电流。场效应晶体管N8、场效应晶体管N5、场效应晶体管N9电流镜电流的调节是通过改变场效应晶体管的宽长比或场效应晶体管并联数或同时改变场效应晶体管的宽长比和并联数。必须指出的是这里的镜像电流不需要严格等于场效应晶体管N7的整数倍，只需要满足总的静态电流小于10μA即可。场效应晶体管N8这条支路的目的在于为误差放大器1即折叠cascode电路提供静态偏置电压，在分配该电路电流时不必要分配太大。场效应晶体管N5为共源共栅电路（本发明稳压器电路中采用的是折叠共源共栅结构）提供尾电流源，在考量分配电流时应适当多分配些，场效应晶体管N9是为输出级提供偏置电流，由于输出级是功率放大作用，所以在分配电流时可以考虑适当多分配些。场效应晶体管P7和场效应晶体管P8通过自偏置技术，通过调整晶体管的宽长比可以得到合适的偏置电压。误差放大器1的输出端即为图2所示的场效应晶体管P3和场效应晶体管N4的连接处，在该连接处接场效应晶体管P4的栅极，即可实现运放的直接级联。同时场效应晶体管P3和场效应晶体管N4的连接处还连接了电容C1到VOUT处，这里是运用了密勒补偿技术把电路的次极点推高，同时也能起到把电路主极点略微往里推的效果。在稳压器设计中，至少要保证45°相位裕度，通常要求相位裕度大于60°。出于集成电路电容面积过大的考量，也就是成本的考量不可能在电路中有较大的电容，所以在此处运用密勒技术以达到减小电容面积的效果，从而可以在现实电路中降低成本。

图3中的bandgap电路给本发明稳压器电路提供名为1μA的基准电流，即从端口i1μ处流入本发明稳压器电路；同时该bandgap电路为本发明稳压器提供名为VREF的基准电压，从端口VREF处流入LDO电路。

输出级单元3包括一个功率MOS晶体管和为该功率MOS晶体管提供静态偏置电流同时充当负载的电流源（图2中的场效应晶体管N9）；该功率MOS晶体管的栅极与源极跟随器的输出端相连，功率MOS晶体管的漏极和为其提供静态偏置电流的NMOS管相连，连接点是无片外电容LDO电路的输出端；因为设计的输出电压与带隙基准电路所提供的参考电压基本一致，所以将LDO电路输出端与误差放大器1的反向输入端相连。

源极跟随器2具有输入端、输出端、静态偏置电路和动态偏置电路，该输入端与误差放大器1的输出端相连，其输出端与功率晶体管P5的栅极相连。

偏置电路4为误差放大器1和输出级单元3提供偏置。更具体来说通过图2中的场效应晶体管N7、场效应晶体管N5和场效应晶体管N9构成一组电流镜，为误差放大器1和输出级电路3提供偏置电流。通过场效应晶体管P8和场效应晶体管P7的自偏置技术分别为场效应晶体管P1、场效应晶体管P2、场效应晶体管P3和场效应晶体管P9提供偏置电压。

本发明低功耗稳压器的设计指标：

1. 工作温度：-40℃～+125℃。

2. 工作电压：2.5V～3.6V。

3. 供电电压调整率：8mV/V（工作电压范围2.5V~3.6V）。

4. 负载调整率：在PVT（不同工艺角、电源电压、工作温度，在本发明稳压器中具体指的是FF、TT、SS三个工艺角；2.5V、3V、3.6V三个电源电压；-40°、40°、125°三个工作温度排列组合成的27种情况）下，输出电流范围100μA～20mA，理想参考电压下输出电压变化范围为1.2V+/-1%。

5. LDO输出电压时域响应：1.2V+/-10%（理想参考电压情况下），负载电流从低（100μA）变高（20mA），或者从高(20mA)变低(100μA)，切换时间=1ns，恢复时间小于5us。

6. 工作电流：静态电流≤10μA（无负载，该设计不包括带隙基准设计）。

7. 负载电流能力：平均负载10mA。

8. LDO在2pF~100pF（100μA~20mA）测试条件下务必满足相位裕度大于60°。

但是，如何突破10μA电流（静态电流）的限制，在此基础上更进一步满足其它七个指标是本发明的重难点。本发明稳压器不光希望在满足产品正常工作的前提下静态电流小，同时也希望动态电流尽可能的小。现有同类产品或研究中尚未有小于10μA静态功耗同时能带载最大不低于20mA电流更进一步的满足无片外电容要求更进一步满足PVT特性下输出电压变化范围在+/-1%以内。

源极跟随器2的静态偏置电路（电阻R1，其工作原理是电阻R1的两端存在电压差，更进一步，一定会存在电流流过电阻R1，那么该电流就会流过场效应晶体管P4，即为场效应晶体管P4提供静态偏置电流）连接电路电源电压和源极跟随器2的漏端。源极跟随器2的动态偏置电路（场效应晶体管P6，工作原理是通过场效应晶体管P6和功率晶体管P5组成电流镜，从而场效应晶体管P6管可以按一定比例镜像功率晶体管P5的电流，但是因为功率晶体管P5接负载，而负载是变化的，即功率晶体管P5的电流是变化的，所以场效应晶体管P6的电流也是变化的，所以称场效应晶体管P6为场效应晶体管P4提供动态偏置电流。）连接电路电源电压、源极跟随器的漏端和功率晶体管P5的栅极。动态偏置电路通过一定比例镜像输出级功率晶体管的电流，从而确保本发明稳压器在带大负载的时候能有高瞬态响应但是在不带负载的时候又能有相对较小的电流消耗同时也解决了该稳压器频率补偿问题。需指出的是该静态偏置电路是为共源级而提供，确保该共源级能够工作在饱和区。

本发明低功耗稳压器中的反馈电路部分采用输出电压与误差放大器1电压的反向输入端直接相连，该部分电路没有采用电阻分压反馈形式。源极跟随器在起到了分裂次极点并增强电路瞬态响应能力但其所占用的电流消耗特别是动态消耗却是微小的。

Claims

1.一种静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器，其特征在于，包括依次相连接的误差放大器（1）、源极跟随器（2）和输出级单元（3），误差放大器（1）和源极跟随器（2）还通过电容与输出级单元（3）相连接；误差放大器（1）和输出级单元（3）还与偏置电路（4）相连接。

2.如权利要求1所述的静态电流小且无片外电容高瞬态响应的低功耗稳压器，其特征在于，该低功耗稳压器包括栅极分别与第二接点b相连接的场效应晶体管N5、场效应晶体管N9、场效应晶体管N7和场效应晶体管N8；场效应晶体管N7栅极还接场效应晶体管N7的漏极和场效应晶体管N6的源极，场效应晶体管N6的栅极接输入端PD，场效应晶体管N6的漏极接基准电流ilμ；场效应晶体管N5的源极、场效应晶体管N3的源极、场效应晶体管N4的源极、场效应晶体管P4的漏极、场效应晶体管N9的源极、场效应晶体管N8的源极和场效应晶体管N7的源极均与第三接点c相连接；场效应晶体管N5的漏极分别接场效应晶体管N1的源极和场效应晶体管N2的源极，场效应晶体管N1的栅极接输入端VREF；场效应晶体管N2的栅极接反向输入端VFB（此处可以理解为将场效应晶体管N2的栅极连接至芯片外部，便于后续的芯片测试工作）；场效应晶体管N3的栅极接场效应晶体管N3的漏极、场效应晶体管N4的栅极和场效应晶体管P9的漏极，场效应晶体管N4的漏极分别接场效应晶体管P4的栅极、电容C1的一端和场效应晶体管P3的漏极，场效应晶体管P4的源极分别接电阻R1的一端、场效应晶体管P6的漏极、场效应晶体管P6的栅极和功率晶体管P5的栅极；场效应晶体管P9的栅极、场效应晶体管P3的栅极、场效应晶体管P7的栅极和场效应晶体管P7的漏极均接场效应晶体管N8的漏极；场效应晶体管P9的源极接场效应晶体管N2的漏极和场效应晶体管P1的漏极，场效应晶体管P3的源极接场效应晶体管N1的漏极和场效应晶体管P2的漏极；场效应晶体管P1的栅极、场效应晶体管P2的栅极、场效应晶体管P8的栅极和场效应晶体管P8的漏极均接场效应晶体管P7的源极；场效应晶体管P1的源极、场效应晶体管P2的源极、电阻R1的另一端、场效应晶体管P6的源极、功率晶体管P5的源极和场效应晶体管P8的源极均与第一接点a相连接；功率晶体管P5的漏极、电容C1的另一端、场效应晶体管N9的漏极和反向输入端VFB均接引脚VOUT。