CN113342110B - 一种带动态零点补偿的误差放大器电路 - Google Patents

一种带动态零点补偿的误差放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种带动态零点补偿的误差放大器电路。本发明的目的是为了解决低静态电流下误差放大器的输出节点处的极点较小以及LDO的输出电容变化范围较大时，LDO输出极点变化范围较宽，引起振荡的问题。通过在误差放大器输出节点处，设计四对相对位置固定的零极点对，从而保证误差放大器具有高的低频增益，且在低相移下实现低的中频增益，可在保证相位有限衰减的情况下，降低增益幅度平台期，从而可同时实现高环路增益，及高环路稳定性。此外，利用动态电阻，使得误差放大器的零极点位置可随负载条件变化，从而拓宽误差放大器适用范围。

Description

一种带动态零点补偿的误差放大器电路
技术领域
本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种带动态零点补偿的误差放大器电路。
背景技术
近年来，新能源、自动驾驶、智慧交通等概念不断发展，大量的电子系统在汽车中承担了不同的角色。电源管理芯片是为电子系统转换能量的心脏，日益增多的车载电子设备和复杂的使用场景对电源管理芯片提出了更加严苛的标准并且带来旺盛的市场需求。LDO是电源管理芯片中常见的一类，相比于其他类型的电源管理芯片，它具有低输出电压纹波、较低的静态电流和较高的环路带宽等优势。因此针对汽车电子中的可靠性、低功耗和快速瞬态响应等需求，LDO具有可观的市场价值。
在LDO中，通过由误差放大器构成的反馈回路来控制输出电压维持在设计值附近，它是反馈环路中不可缺少的一部分。在常见的LDO中，误差放大器将由LDO输出节点采样得到的VFB和内部基准源提供的参考电压VREF作比较，产生一个误差放大信号，该信号会驱动功率晶体管来改变其导通程度，给负载提供所需要的电流，使得输出电压保持稳定，该过程实现了闭环反馈的控制。误差放大器是LDO电路的关键模块，它对环路增益和环路稳定性起到最为关键的作用。在常见的LDO中，误差放大器作为线性调整输出电压的反馈环路中最为核心的模块，它的参数指标决定了LDO的性能。在低静态电流LDO中，由于误差放大器的尾电流较小，误差放大器的输出节点处的极点无法被推到高频处，并且LDO的输出电容变化范围较大，导致输出极点变化范围较宽，为了保证环路稳定性，误差放大器输出节点的相位应保证尽量少的衰减。
发明内容
本发明的目的是为了解决低静态电流下误差放大器的输出节点处的极点较小以及LDO的输出电容变化范围较大时，LDO输出极点变化范围较宽，引起振荡的问题。通过在误差放大器输出节点处，设计四对相对位置固定的零极点对，从而保证误差放大器具有高的低频增益，且在低相移下实现低的中频增益，可在保证相位有限衰减的情况下，降低增益幅度平台期，从而可同时实现高环路增益，及高环路稳定性。此外，利用动态电阻，使得误差放大器的零极点位置可随负载条件变化，从而拓宽误差放大器适用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种带动态零点补偿的误差放大器电路，该电路用于LDO，包括偏置电路、差分放大器和动态零点补偿电路；
所述偏置电路包括第一PMOS管MP1和电流源Ibias；其中电流源Ibias用于直流偏置，可由PTAT电流产生电路提供，第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极和漏极互连，第一PMOS管MP1的栅极接电流源Ibias的上端；
所述差分放大器包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极接电流源Ibias的上端；第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的源极均接第二PMOS管MP2的漏极，第三PMOS管MP3的栅极接基准电压，第四PMOS管MP4的栅极接反馈电压；第一NMOS管MN1的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，第一NMOS管的源极接地；第二NMOS管MN2的漏极接第四PMOS管MP4的漏极，第二NMOS管MN2的栅极接第三PMOS管MP3的漏极，第二NMOS管MN2的源极接地；第四PMOS管漏极与第二NMOS管漏极的连接点作为误差放大器电路的输出端，定义为EA_OUT；
所述动态零点补偿电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6；第三NMOS管MN3的漏极依次通过第一电阻R1和第一电容C1后接EA_OUT，第三NMOS管MN3的源极接地；第四NMOS管MN4的漏极依次通过第四电阻R4、第四电容C4和第二电容C2后接EA_OUT，第四NMOS管MN4的源极接地；第五NMOS管MN5的漏极依次通过第二电阻R2和第二电容C2后接EA_OUT，第五NMOS管MN5的源极接地；第六NMOS管MN6的漏极依次通过第三电阻R3和第三电容C3后接EA_OUT，第六NMOS管MN6的源极接地；第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的栅极均接LDO负载电流采样信号。
上述方案中，偏置电路为差分放大器的提供偏置电流；差分放大器能够放大反馈电压与基准电压之间的差值，产生误差放大信号改变LDO中功率管的导通程度，使LDO的输出电压保持恒定；补偿电路是一个零极点追踪补偿网络，它能够降低误差放大器输出节点处相位裕度的衰减，来增强LDO整体环路稳定性。
本发明的有益效果为：在低功耗LDO中，误差放大器的偏置电流小，使得误差放大器的输出节点处的极点处在较低的频率，无法兼顾高增益与高稳定性的需求。针对该问题，本发明提出的误差放大器，其输出节点处利用四对距离相对固定的动态零极点对，使误差放大器输出节点处的相位裕度衰减减少，且可以实现跟随输出负载的动态调节。
附图说明
图1本发明提出的一种带动态零点补偿的误差放大器电路的具体电路图。
图2本发明提出的一种带动态零点补偿的误差放大器电路的等效电路图。
图3本发明提出的误差放大器应用于LDO时的LDO主环路小信号等效模型
图4本发明提出的误差放大器应用于LDO时的环路零极点分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
本发明提出的一种带动态零点补偿的误差放大器的具体结构图如图1所示。由3个部分组成，分别是偏置电路、误差放大器、动态零点补偿电路。偏置电路为差分放大器的提供偏置电流；差分放大器能够放大反馈电压与基准电压之间的差值，产生误差放大信号改变LDO中功率管的导通程度，使LDO的输出电压保持恒定；补偿电路是一个零极点追踪补偿网络，它能够降低误差放大器输出节点处相位裕度的衰减，来增强LDO整体环路稳定性。
具体所述偏置电路包括：PMOS管MP1，电流源Ibias。具体连接关系为：电流源Ibias用于直流偏置，可由PTAT电流产生电路提供，Ibias上端连接MP1栅极和漏极、MP2栅极；MP1的源极连接电源电压VDD。
具体所述误差放大器电路包括：PMOS管MP2、MP3、MP4，NMOS管MN1、MN2。具体连接关系为：MP2源极连接电源电压VDD，MP2漏极与MP3、MP4源极相连；MP3栅极连接基准电压Vref；MN1栅漏短接且与MN2栅极和MP3漏极相连，MN1、MN2源极接地电位，MP4栅极接反馈电压Vfb，MP4、MN2漏极相连是误差放大器的输出EA_OUT。
具体所述动态零点补偿支路包括：电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3、C4，NMOS管MN3、MN4、MN5、MN6。具体连接关系为：C1、C2、C3上极板接误差放大器输出EA_OUT，C1下极板接R1上端，R1下端接MN3漏极，C2下极板接C4上极板、R4上端，C4下极板接R4上端，R4下端接MN4漏极，R2下端接MN5漏极，C3下极板接R3上端，R3下端接MN6漏极，MN3、MN4、MN5、MN6栅极与LDO负载电流采样信号V1相连，MN3、MN4、MN5、MN6源极接地电位。
误差放大器的差分输入信号为VREF和VFB，采用PMOS作为输入对管能够降低噪声，提高电源纹波抑制能力。误差放大器的偏置电流为nA级，从基准电路中镜像得到，误差放大器的低频增益为：
Av1＝gMP3/4×(roMP4||roMN2||ROUT1)
其中gMP3/4为MP3、MP4的跨导，roMP4为MP4漏极节点得到的等效电阻，roMN2为MN漏极节点的等效电阻，ROUT1为误差放大器输出节点处补偿网络的等效阻抗。
误差放大器的主体为OTA结构，其偏置电流为nA级，所有MOS管都工作在亚阈值区，其输出电阻会远大于饱和区，因此误差放大器的输出节点处的极点较低，并且若LDO的负载电流变化范围较大，其输出极点的变化范围也会较宽，因此需要做四对距离相对固定的零极点对，使误差放大器输出节点处的相位裕度的衰减尽可能减少。其中V1电压为LDO输出节点处负载电流的采样信号，因此补偿网络可以追踪负载电流变化，实现动态补偿。
一种带零点补偿的误差放大器电路的等效架构图如图2所示，它是将MN3、MN4、MN5、MN6分别等效为电阻R1、R2、R3、R4得到。其中当LDO工作在轻载下时MN3、MN4、MN5、MN6工作在亚阈值区，当LDO工作在重载下时MN3、MN4、MN5、MN6工作在深线性区。从图2中可以得到四对零极点的位置如下所示：
Figure GDA0003556154260000041
Figure GDA0003556154260000042
Figure GDA0003556154260000043
Figure GDA0003556154260000044
其中R0是误差放大器的输出电阻，通常R0的值较大，主极点p1能够设计在10Hz以内。电阻与电容比例分别为：R1∶R2∶R3∶R4＝12∶6∶2∶1，C1∶C2∶C3∶C4＝12∶6∶2∶1，保证各极点对的分离。采用多个相对位置固定的零极点对来进行补偿的方式，在极点刚对相位产生影响时，零点也几乎对相位产生相反的作用，因此该补偿方式能够减小相位的衰减。
本发明提出的误差放大器应用于LDO时的小信号等效模型图如图3所示。由图3可得LDO主环路主要包括误差放大器、缓冲器、功率管，此时环路中的主要极点如下所示：
Figure GDA0003556154260000051
Figure GDA0003556154260000052
Figure GDA0003556154260000053
其中REA_OUT和CEA_OUT分别是误差放大器的输出节点处的输出阻抗和输出电容，ROUT和COUT分别是LDO输出节点处的输出阻抗和负载电容，RB和CPower分别是缓冲器的输出阻抗和功率管栅极电容。由于低功耗LDO需要低静态电流，这导致误差放大器输出阻抗很高，因此误差放大器的输出节点处的极点成为主极点，本发明通过在误差放大器输出节点处引入零极点追踪网络，尽量减少该节点处相位裕度的衰减，同时该处的零极点对能够追踪负载变化，保证LDO输出节点处的极点变化时系统仍然有比较好的稳定性。
本发明提出的误差放大器应用于LDO时的环路零极点分布示意图如图4所示。从图4中可以看出误差放大器输出节点处产生的四对相对位置固定的零极点对，能够使相位裕度的衰减降低。该误差放大器应用于LDO中，在误差放大器后级引入缓冲器将功率管栅极节点处的极点置于环路带宽外，并通过零极点追踪网络降低误差放大器输出端的相位衰减，在整个环路带宽内只存在LDO的输出极点POUT，增强了LDO的环路稳定性。
综上所述，本发明的关键点在于误差放大器输出节点处引入四对相对位置固定的零极点对，并通过V1对LDO的负载电流进行采样，控制等效为亚阈值电阻的NMOS管，使得低静态电流LDO中的误差放大器的输出节点处的相位裕度的衰减尽可能减少，并且零极点对能够追踪负载的变化，实现动态补偿。该方案避免使用大电容并且利用动态电阻实现动态补偿。

Claims (1)

1.一种带动态零点补偿的误差放大器电路，该电路用于LDO，其特征在于，包括偏置电路、差分放大器和动态零点补偿电路；
所述偏置电路包括第一PMOS管MP1和电流源Ibias；其中电流源Ibias用于直流偏置，第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极和漏极互连，第一PMOS管MP1的栅极接电流源Ibias的上端；
所述差分放大器包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极接电流源Ibias的上端，电流源Ibias的下端悬空；第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的源极均接第二PMOS管MP2的漏极，第三PMOS管MP3的栅极接基准电压，第四PMOS管MP4的栅极接反馈电压；第一NMOS管MN1的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，第一NMOS管的源极接地；第二NMOS管MN2的漏极接第四PMOS管MP4的漏极，第二NMOS管MN2的栅极接第三PMOS管MP3的漏极，第二NMOS管MN2的源极接地；第四PMOS管漏极与第二NMOS管漏极的连接点作为误差放大器电路的输出端，定义为EA_OUT；
所述动态零点补偿电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6；第三NMOS管MN3的漏极依次通过第一电阻R1和第一电容C1后接EA_OUT，第三NMOS管MN3的源极接地；第四NMOS管MN4的漏极依次通过第四电阻R4、第四电容C4和第二电容C2后接EA_OUT，第四NMOS管MN4的源极接地；第五NMOS管MN5的漏极依次通过第二电阻R2和第二电容C2后接EA_OUT，第五NMOS管MN5的源极接地；第六NMOS管的漏极依次通过第三电阻R3和第三电容C3后接EA_OUT，第六NMOS管的源极接地；第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的栅极均接LDO负载电流采样信号。
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