CN113541483B - 线性调整器及电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线性调整器及电源装置，该线性调整器包括：功率管，接收输入电压和控制电压，用于根据所述输入电压和所述控制电压提供输出电压；反馈模块，与所述功率管连接，对所述输出电压进行采样，并根据所述输出电压提供反馈电流；调节模块，分别与所述功率管和所述反馈模块连接，接收所述反馈电流，并根据所述反馈电流调节所述控制电压。该线性调整器可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好，所需版图面积小，能够满足芯片内大部分场合的需求。

Description

线性调整器及电源装置
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种线性调整器及电源装置。
背景技术
低压差线性调整器(Low Dropout Regulator，LDO)简称线性调整器或串联调整器，通过它可以将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。
线性调整器具有电路结构简单、占用芯片面积小和噪声低等优点，已成为电源管理芯片中的重要组成部分。线性稳压器能够为模数转换电路和射频电路等噪声敏感电路提供高精度、低噪声的电源，被广泛应用于片上系统芯片中。
但是现有的线性调整器电路存在输出端电压的输出范围会受到极大限制，且结构复杂、占用版图面积较大等问题，不利于片上系统芯片的小型化发展。
因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种线性调整器及电源装置，可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好。
根据本发明提供的一种线性调整器。包括：功率管，接收输入电压和控制电压，用于根据所述输入电压和所述控制电压提供输出电压；反馈模块，与所述功率管连接，对所述输出电压进行采样，并根据所述输出电压提供反馈电流；调节模块，分别与所述功率管和所述反馈模块连接，接收所述反馈电流，并根据所述反馈电流调节所述控制电压。
优选地，所述线性调整器还包括：输出电容，与所述反馈模块并联连接，用于对所述输出电压进行稳压。
优选地，所述反馈模块包括：第一晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第一电阻，其中，所述第四晶体管的第一通路端接收所述输出电压，所述第四晶体管的第二通路端与所述第四晶体管的控制端连接，并经过所述第一电阻与所述第一晶体管的第一通路端连接；所述第一晶体管的控制端与所述第一晶体管的第一通路端连接，所述第一晶体管的第二通路端接地；所述第三晶体管第一通路端接收所述输出电压，第二通路端输出所述反馈电流，所述第三晶体管的控制端与所述第四晶体管的控制端连接。
优选地，所述调节模块包括：第一电流源、第二电流源和第二晶体管，其中，所述第一电流源、所述第二晶体管和所述第二电流源依次串联于输入电压接收端与接地端之间；所述第一电流源和所述第二晶体管的连接节点与所述功率管的控制端连接；所述第二晶体管和所述第二电流源的连接节点与所述第三晶体管的第二通路端连接，用于接收所述反馈电流；以及所述第二晶体管的控制端接收外部偏置电压。
优选地，所述功率管为PMOS晶体管。
优选地，所述第一晶体管为NMOS晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管为PMOS晶体管。
优选地，所述第四晶体管的导通电压具有的温度特性与所述第一晶体管的导通电压具有的温度特性相同，与所述第一电阻具有的温度特性相反。
优选地，所述第二晶体管为NMOS晶体管。
优选地，所述输出电容为稳压电容。
根据本发明提供的一种电源装置，用于提供供电电压，所述电源装置包括如上述的线性调整器，所述线性调整器用于实现所述供电电压的稳定输出。
本发明的有益效果是：本发明公开的线性调整器，由功率管、反馈模块、调节单元共同组成了负反馈环路，通过对电路中的输出电压进行采样以产生反馈电流，并将反馈电流作为反馈信号以实现对功率管控制端电压的反馈调节，进而实现对输出电压的反馈调节，优化了电路结构，有利于提高线性调节器的反馈调节速度和调节精度。
在线性调整器的输出端设置稳定电容，进一步实现了对输出电压的稳定输出。
线性调整器采用的元器件如晶体管和电阻数量少，在保证性能良好的同时，简化了线性调整器的结构。
线性调整器的尺寸也完全由对电流能力的需求而定，避免了由于其他因素设计造成的面积浪费，实现了线性调整器版图的最优设计。
第一晶体管的导通电压与第四晶体管的导通电压具有的温度特性相同，并与第一电阻具有的温度特性相反，能够使得输出电压具有良好的温度特性，提高线性调整器的电压输出性能。
应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明实施例提供的线性调整器的结构框图；
图2示出本发明实施例提供的线性调整器的电路结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面，参照附图对本发明进行详细说明。
图1示出本发明实施例提供的线性调整器的结构框图。
如图1所示，本实施例中，线性调整器包括功率管Mpwr、反馈模块100、调节单元200以及输出电容Co。
其中，功率管Mpwr接收输入电压VCC和控制电压，用于根据输入电压和控制电压提供输出电压Vreg。
功率管Mpwr的控制端接收控制电压，第一通路端接收输入电压VCC，第二通路端输出输出电压Vreg。
本实施例中，功率管Mpwr为PMOS晶体管，其源极为第一通路端，接收输入电压VCC，漏极为第二通路端，输出输出电压Vreg，栅极为控制端，与调节模块200连接。
反馈模块100与功率管Mpwr的输出端连接，对输出电压Vreg进行采样，并根据输出电压Vreg提供反馈电流。
反馈模块100能够对输出电压Vreg的电压变化进行采样，进而根据采样结果输出对应的反馈电流。
调节模块200分别与功率管Mpwr和反馈模块100连接，接收反馈电流，并根据反馈电流调节功率管Mpwr控制端所接收的控制电压。
可以理解的是，功率管Mpwr控制端所接收的控制电压控制功率管Mpwr的导通程度，如当控制电压减小时，功率管Mpwr的栅源电压增大，功率管Mpwr的输出端即漏极的电压增大。本实施例中，功率管Mpwr的漏极电压即对应为线性调整器的输出电压Vreg。
本实施例中，功率管Mpwr、反馈模块100、调节单元200共同组成了负反馈环路，通过反馈模块100检测输出电压Vreg的电位变化，并根据该电位变化输出对应的反馈电流至调节单元200，调节单元200根据反馈电流相应调节功率管Mpwr的控制端的电压，进而改变功率管Mpwr的输出端的电位，实现对输出电压Vreg的负反馈调节。整个过程中采用电压采样和电流反馈，有利于提高线性调节器的反馈调节速度和调节精度。
输出电容Co与反馈模块100并联连接，用于对输出电压Vreg进行稳压输出。
进一步地，输出电容Co为稳压电容，进一步实现了对输出电压Vreg的稳定输出。
本实施例中，反馈模块根据功率管输出端的电压变化输出反馈电流至调节模块，调节模块根据反馈电流调节功率管的控制端电压，进而实现功率管输出端电压即线性调整器输出电压的反馈调节和稳定输出，调节速度快、精度高，且结构简单，性能良好。
图2示出本发明实施例提供的线性调整器的电路结构示意图。
如图2所示，本实施例中，反馈模块100包括：第一晶体管M1、第三晶体管M3、第四晶体管M4和第一电阻R1。第三晶体管M3的第一通路端与功率管Mpwr的输出端即节点B连接以接收输出电压Vreg，第三晶体管M3的第二通路端与调节模块200连接，用以输出反馈电流。第四晶体管M4、第一电阻R1和第一晶体管M1依次串联于功率管Mpwr的输出端与接地端之间，用于根据输出电压Vreg提供偏置电流Ib。具体的，第四晶体管M4的第一通路端与功率管Mpwr的输出端连接以接收输出电压Vreg，第四晶体管M4的第二通路端通过第一电阻R1与第一晶体管M1的第一通路端连接，第一晶体管M1的第一通路端与第一晶体管M1的控制端连接，第一晶体管M1的第二通路端接地。同时，第四晶体管M4的第二通路端与第四晶体管M4的控制端连接，并同时与第三晶体管M3的控制端连接。
由上述可知，本实施例中，第三晶体管M3与第四晶体管M4构成电流镜结构，且该电流镜结构作为电路的反馈支路，能够对输出电压Vreg进行采样，并根据输出电压Vreg的变化产生反馈电流作为反馈信号，在实现对输出电压的反馈调节的同时，提高了调节速度和精度。进一步的，第三晶体管M3与第四晶体管M4为PMOS晶体管，且第三晶体管M3与第四晶体管M4的输出电压比为1:k，其中，k为正数。
进一步地，第四晶体管M4、第一电阻R1和第一晶体管M1共同构成一偏置电流产生支路，用以提供偏置电流Ib。且此时存在偏置电流
Ib＝IM4＝k*IM3....................(1)
其中，IM3、IM4分别为流经第三晶体管M3和第四晶体管M4的电流。
优选的，第一晶体管M1和第四晶体管M4的导通电压具有的温度特性与第一电阻R1具有的温度特性相反。例如本实施例中，第一晶体管M1为NMOS晶体管，且第一晶体管M1的导通电压Vth_M1具有负温度特性，其物理特性随温度的升高(降低)而降低(升高)。第一电阻R1具有正温度特性，其物理特性随温度的升高(降低)而升高(降低)。
可以理解的是，在本发明的其他实施例中，第一晶体管M1的导通电压Vth_M1和第四晶体管M4的导通电压Vth_M4具有正温度特性，第一电阻R1具有负温度特性。
进一步地，第四晶体管M4的第一通路端与输出电容Co的正极端连接，第一晶体管M1的第二通路端与输出电容Co的负极端连接。
调节模块200包括：第一电流源I1、第二电流源I2以及第二晶体管M2。第一电流源I1、第二晶体管M2和第二电流源I2依次串联于输入电压VCC接收端与接地端之间。
进一步地，第一电流源I1和第二晶体管M2的连接节点即节点A与功率管Mpwr的控制端连接，第二晶体管M2和第二电流源I2的连接节点与第三晶体管M3的第二通路端连接，以接收反馈电流。
第二晶体管M2的控制端与外部的偏置电压产生电路连接，接收外部偏置电压Vb，该偏置电压Vb用于使第二晶体管M2工作于放大状态。
第一电流源I1和第二电流源I2均为固定的偏置电流源，其所分别提供的第一偏置电流I1和第二偏置电流I2均为固定值。
由上述可知，当电路处于稳态时，电路中电流存在如下关系：I1＝(I2-IM3)................(2)。
优选的，本实施例中，第二晶体管M2为NMOS晶体管。
下面结合上述描述对线性调节器的工作原理进行详细介绍：
本实施例中，功率管Mpwr、反馈模块100、调节单元200共同组成了负反馈环路。当输出电压Vreg的电压值即电路中节点B的电位降低后，电路中流经第四晶体管M4的电流IM4也随之减小。由电流镜的特性可知，流经第三晶体管M3中的电流IM3也随之减小。此时，电路中电流的关系如下：(I2-IM3)＞I1。节点A的电位被相应的下拉，进而功率管Mpwr的栅源电压Vgs增大，节点B的电位被上拉。相似原理的，当节点B的电位升高时，功率管Mpwr、反馈模块100、调节单元200共同组成了负反馈环路将节点B的电位下拉，进而最终实现对输出电压Vreg的稳压输出。稳压后的输出电压Vreg与电路中各参数的关系为：
Vreg＝Vgs_M1(Ib,Vth_M1)+Vgs_M4(Ib,Vth_M4)+R1*Ib＝f(Ib,Vth,R1).............(3)
也即是说，线性调整器最终输出的输出电压Vreg为关于偏置电流Ib，晶体管的导通电压Vth以及第一电阻R1的阻值的函数。其中，由上述公式(1)和公式(2)可得：Ib＝IM4＝k*IM3＝k*(I2-I1)，因此，Ib为固定的电流值。同时由于第一晶体管M1的导通电压Vth_M1与第四晶体管M4的导通电压Vth_M4为晶体管本身的固有特性，其不随输入电压VCC的变化而变化，所以经过负反馈调节后的输出电压Vreg也不随输入电压VCC的变化而变化，即该线性调整器可以输出稳定的输出电压Vreg。
进一步地，第一晶体管M1的导通电压Vth_M1以及第四晶体管M4的导通电压Vth_M4具有负温度特性，第一电阻R1具有正温度特性，因此，通过选取合适比例的偏置电流Ib、晶体管的导通电压Vth以及第一电阻R1的阻值，能够得到具有良好的温度特性的输出电压Vreg，提高线性调整器的电压输出性能。
进一步地，本实施例所公开的线性调整器中，功率管Mpwr的管子尺寸根据电路对电流能力的需求而定；第一电流源I1和第二电流源I2为偏置电流产生管，为低压管，其版图面积或尺寸小；第一晶体管M1、第三晶体管M3和第四晶体管M4为低压管，因此管子版图面积或尺寸小；第二晶体管M2虽然高压管，但可以选取尺寸最小的高压管；输出电容Co为稳压电容。因此，综合可知，本实施例中线性调整器的尺寸或版图面积几乎由功率管Mpwr和输出电容Co的尺寸决定，也即是说，完全由电路对电流的需求而定，没有犹豫其它任何因素或设计造成的版图面积浪费，且线性调整器的结构简单，晶体管数量少，进一步的实现了版图面积的最优化设计。
本发明还公开了一种电源装置，用于提供供电电压。该电源装置包括如上述的线性调整器，用以实现供电电压的稳定输出。
综上，本实施例公开的线性调整器可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好，所需晶体管的数量少，能够实现版图设计的最优化，满足芯片内大部分场合的需求。且最终输出的输出电压不随温度和晶体管的工艺角的变化而变化，电压的稳定性更强。
应当说明的是，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种线性调整器，其特征在于，包括：
功率管，接收输入电压和控制电压，用于根据所述输入电压和所述控制电压提供输出电压；
反馈模块，与所述功率管连接，对所述输出电压进行采样，并根据所述输出电压提供反馈电流；
调节模块，分别与所述功率管和所述反馈模块连接，接收所述反馈电流，并根据所述反馈电流调节所述控制电压，
其中，所述反馈模块包括：第一晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第一电阻，
其中，所述第四晶体管的第一通路端接收所述输出电压，所述第四晶体管的第二通路端与所述第四晶体管的控制端连接，并经过所述第一电阻与所述第一晶体管的第一通路端连接；
所述第一晶体管的控制端与所述第一晶体管的第一通路端连接，所述第一晶体管的第二通路端接地；
所述第三晶体管第一通路端接收所述输出电压，第二通路端输出所述反馈电流，所述第三晶体管的控制端与所述第四晶体管的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述线性调整器还包括：输出电容，与所述反馈模块并联连接，用于对所述输出电压进行稳压。
3.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述调节模块包括：第一电流源、第二电流源和第二晶体管，
其中，所述第一电流源、所述第二晶体管和所述第二电流源依次串联于输入电压接收端与接地端之间；
所述第一电流源和所述第二晶体管的连接节点与所述功率管的控制端连接；
所述第二晶体管和所述第二电流源的连接节点与所述第三晶体管的第二通路端连接，用于接收所述反馈电流；以及
所述第二晶体管的控制端接收外部偏置电压。
4.根据权利要求3所述的线性调整器，其特征在于，所述功率管为PMOS晶体管。
5.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述第一晶体管为NMOS晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管为PMOS晶体管。
6.根据权利要求5所述的线性调整器，其特征在于，所述第四晶体管的导通电压具有的温度特性与所述第一晶体管的导通电压具有的温度特性相同，与所述第一电阻具有的温度特性相反。
7.根据权利要求3所述的线性调整器，其特征在于，所述第二晶体管为NMOS晶体管。
8.一种电源装置，用于提供供电电压，其特征在于，包括：
如权利要求1-7中任一项所述的线性调整器，所述线性调整器用于实现所述供电电压的稳定输出。
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