CN113835463A - 一种小面积快速瞬态响应全片上集成ldo电路 - Google Patents

一种小面积快速瞬态响应全片上集成ldo电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，输出功率管由大摆幅高增益放大器驱动，减小了输出功率管的尺寸和芯片面积，增大了LDO的环路增益，缩短了输出电压的恢复时间。此外，采用负载电流分区频率补偿电路进行频率补偿，不以牺牲环路增益带宽为代价，保证LDO在所有负载情况下保持稳定，也增强了高频电源噪声抑制能力。补偿电路不消耗静态电流并且面积较小，降低了LDO的静态功耗，减小了芯片面积。

Description

一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路
技术领域
本发明涉及一种低漏失(LDO)线性稳压器电路技术领域，具体为一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路。
背景技术
LDO具有成本低、输出噪声小、电路结构简单、占用芯片面积小等优点，已成为电源管理芯片中的一类重要电路。LDO的本质是利用带隙基准产生的稳定电压和负反馈控制环路得到一个基本不随环境变化的输出电压。LDO能够将不断衰减的电池电压转换成低噪声的稳定精确电压，以满足便携式设备中对噪声敏感的模拟模块和射频模块的需要。LDO的瞬态响应主要由环路带宽和功率管栅极的电压转换速率所决定。在LDO的设计中，输出瞬态响应是一项非常重要的动态指标，它主要受环路稳定性、环路带宽和功率管栅极电位的转换速率影响。
现有的参考文献1“A High Load Current,Low-Noise,Area-Efficient,Full On-Chip Regulator for CMOS Pixel Sensors.IEEE Transactions on Nuclear Science,2012,Vol.59,No.3:582-588”公开了一种全片上集成LDO电路。如图1所示，该LDO电路主要包括一个误差放大器、一个缓冲器、一个PMOS功率管Mpass、一个串联电阻-电容网络(MZ和CZ)、一个反馈电阻网络(RA和RB)、一个输出电流监测电路。缓冲器可以将功率管Mpass输入端的极点频率变高。串联电阻-电容网络产生一个零点进行频率补偿。输出电流监测电路中分别有两个电流反馈通路去调节缓冲器的电流和串联电阻MZ的阻值，实现补偿零点和其他主要极点都能跟随输出极点移动。从而，保证负载从空载变化到满载时，LDO都能达到足够的相位裕度，整个系统稳定。
该LDO电路采用零极点跟踪方法进行频率补偿，电路面积较小，可以实现全片上集成，并且所有负载电流情况下均稳定工作，但存在以下缺点：
1、缓冲器的最低输出电压较高，输出摆幅受限，只能增大功率管的宽长比来保证输出较大负载电流，增加了电路面积。
2、缓冲器的增益小于1，使得LDO环路增益变小，输出瞬态响应变差，输出下冲电压变大，恢复时间变长。
3、输出电流监测电路在负载电流较小时无法准确监测输出电流并反馈到补偿电阻-电容串，使得其他极点不能准确跟踪输出极点。负载电流较小时，相位裕度较差。并且在负载电流较大时，该电路消耗的电流也较大，增加了功耗。
为克服以上的缺点1和缺点2，参考文献2“一种快速瞬态响应LDO的设计与实现，微电子学,2014,44(5):634-639.”公开了一种快速瞬态响应LDO电路。如图2所示，该文献采用缓冲级结构实现瞬态响应增强电路，提高了闭环带宽和功率管的栅极驱动电流，从而提高了瞬态响应性能。增加瞬态响应增强电路后，稳定性降低，所以采用密勒补偿方法提高相位裕度和稳定性。然而，该电路仍存在以下缺点：
1、密勒补偿电容限定了主极点频率，在一定程度上牺牲了环路增益带宽，影响瞬态响应性能和高频电源噪声抑制性能。
2、密勒补偿电容和输出电容呈正比关系，增加了电路的版图面积，不利于实现全芯片集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，为了克服参考文献1和参考文献2公开的LDO电路的缺点，本发明在保证小面积、低功耗，不牺牲环路增益带宽的情况下，实现了快速瞬态响应。
本发明提供了一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，包括：
差动放大器A1，其正相输入端与基准电压Vref模块相连接；
反馈电阻网络，其输出端与所述差动放大器A1的反相输入端相连接，所述差动放大器A1用于将所述反馈电阻网络模块输出的反馈电压与所述基准电压Vref模块的基准电压之间的误差进行放大；
缓冲器A2，其输入端与所述差动放大器A1的输出端相连接；
大摆幅高增益放大器A3，其输入端与所述缓冲器A2的输出端连接，所述缓冲器A2用于隔离所述差动放大器A1与所述大摆幅高增益放大器A3；
输出功率管，其输入端与所述大摆幅高增益放大器A3的输出端相连接，其输出端分别与反馈电阻网络、负载模块相连接，所述大摆幅高增益放大器A3用于降低输出功率管的最小栅极电压，同时用于补偿所述缓冲器A2造成的增益衰减，增大LDO的环路增益；
负载电流分区频率补偿电路，其输入端与所述差动放大器A1的输出端相连接，用于在维持LDO的环路增益带宽的前提下，实现负载电流的频率补偿。
优选的，所述大摆幅高增益放大器A3为由晶体管组成的推挽级放大器。
优选的，还包括工作电压VDD，所述工作电压VDD为所述差动放大器A1、负载电流分区频率补偿电路、输出功率管供电。
优选的，所述负载电流分区频率补偿电路包括定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv、可变电容Cz、开关SW；
所述定值电阻Rb的阻值大于定值电阻二Rz的阻值；
所述定值电阻Rb一端和可调节电阻Rv一端均与所述工作电压VDD连接，所述定值电阻Rb与定值电阻Rz串联后再与可调节电阻Rv并联，所述开关SW与定值电阻Rb并联，所述可变电容Cz的两端分别与所述差动放大器A1的输出端和所述定值电阻Rz及可调节电阻Rv并联的一端连接。
优选的，所述负载电流分区频率补偿电路采用定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv与可变电容Cz形成的串联网络产生的零点来进行负载电流的频率补偿。
优选的，所述可调节电阻Rv的阻值和所述可变电容Cz的电容值均由随负载模块中的负载电流变化的电压进行调节。
优选的，所述负载电流分区频率补偿电路采用所述输出功率管的栅极电压作为可调节电阻Rv的调节电压。
优选的，当所述负载模块的负载电流从空载到轻载区域时，开关SW关断，此时可变电阻Rv阻值远大于定值电阻Rb的阻值与定值电阻Rz的阻值相加之和，可变电容Cz不变，产生的零点频率为低频率且为固定值。
优选的，当所述负载模块的负载电流从轻载到中载区域时，开关SW闭合，将定值电阻Rb短路，补偿电阻值约为定值电阻Rz，补偿零点频率切换为高频率。
优选的，当所述负载模块的负载电流从中载到满载区域时，可调节电阻Rv的阻值和可变电容Cz的电容值的变化均与随负载模块中的负载电流变化呈反比，补偿电阻由可调节电阻Rv决定，补偿零点频率随负载模块中的负载电流变化，跟踪输出极点进行补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用差动放大器、缓冲器、大摆幅高增益放大器三级放大器结构。即采用源极跟随器实现缓冲器，反相器电路实现大摆幅高增益放大器。采用缓冲器和大摆幅高增益放大器驱动功率管，甚至可以将输出功率管栅极电压拉低到零伏，大幅减小了输出功率管的尺寸，减小了电路面积。同时，提高了环路增益，改善了LDO的瞬态响应特性。大摆幅高增益放大器大幅减小了输出功率管的尺寸，而且补偿电路的面积较小，更易于实现全片上集成。
此外，本发明中的负载电流分区频率补偿方法根据负载电流情况自动改变电路拓扑和参数，具体采用可变电阻-可变电容串联网络产生一个零点来进行频率补偿，可变电阻由一个固定电阻和一个可调节的电阻并联实现。设计的可变电阻值和可变电容值均由随负载电流变化的电压进行调节。补偿电路调节电压为输出功率管的栅极电压。在不牺牲环路增益带宽的情况下，使得该多极点LDO在所有负载情况下保持稳定。补偿电路不消耗静态电流降低了LDO的静态功耗。本发明中的频率补偿器件与负载电容值无直接关系，占用面积相对更小，更易于实现全片上集成。而且补偿电路不消耗静态电流，降低了静态功耗。负载电流分区频率补偿方法不以牺牲环路增益带宽为代价，能够增强高频电源噪声抑制能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明背景技术中的参考文献1中公开的LDO电路结构示意图；
图2是本发明背景技术中的参考文献2中公开的LDO电路结构示意图；
图3是本发明提出的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路的LDO电路的系统框图；
图4是本发明提出的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路的LDO电路的电路图；
图5是本发明提出的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路的LDO电路实施例的示意图；
图6是本发明提出的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路的LDO的负载电流仿真结果；
图7是本发明提出的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路的LDO的稳定性分析仿真结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
如图3所示，一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，包括差动放大器A1，其正相输入端与基准电压Vref模块相连接，反馈电阻网络，其输出端与差动放大器A1的反相输入端相连接，差动放大器A1用于将反馈电阻网络模块输出的反馈电压与基准电压Vref模块的基准电压之间的误差进行放大。缓冲器A2，其输入端与差动放大器A1的输出端相连接，大摆幅高增益放大器A3，其输入端与缓冲器A2的输出端连接，缓冲器A2用于隔离差动放大器A1与大摆幅高增益放大器A3，输出功率管，其输入端与大摆幅高增益放大器A3的输出端相连接，其输出端分别与反馈电阻网络、负载模块相连接，大摆幅高增益放大器A3用于降低输出功率管的最小栅极电压，同时用于补偿缓冲器A2造成的增益衰减，增大LDO的环路增益，负载电流分区频率补偿电路，其输入端与差动放大器A1的输出端相连接，用于在维持LDO的环路增益带宽的前提下，实现负载电流的频率补偿。还包括工作电压VDD，工作电压VDD为所述差动放大器A1、负载电流分区频率补偿电路、输出功率管供电。
在缓冲器A2后增加大摆幅高增益放大器A3，大摆幅高增益放大器A3为由晶体管组成的推挽级放大器，缓冲器A2的源极跟随器提供较低的输出电阻，同时保证推挽级放大器中的晶体管工作在饱和区，推挽级放大器增大了环路增益，增强了输出功率管栅极电容的充放电电流，因此可以改善LDO的瞬态响应特性。推挽级放大器的最小输出电压可以达到零伏，所以在同等负载电流情况下，有效减小了输出功率管的尺寸。在相同负载电流情况下，可以显著减小输出功率管的尺寸，从而减小芯片面积。大摆幅高增益放大器A3的增益较大，因此补偿了由缓冲器A2造成的增益衰减，增大了LDO的环路增益。同时，大摆幅高增益放大器A3提供较大的输出功率管栅极驱动电流。当负载模块的负载电流变化时，输出电压的下冲电压变小，恢复时间变短，从而改善了LDO的瞬态响应特性。在输出功率管尺寸相同的情况下，增加和未增加推挽级放大器时的负载电流能力对比仿真结果，如图6所示。由仿真结果可以看出，增加推挽级放大器后，增强了带负载电流能力，可以大幅减小芯片面积。
但是，增加一级放大器也增加了LDO的极点数量，使得系统稳定性变差。当负载电流从空载到轻载、满载变化时，输出功率管的工作区域从亚阈值区到饱和区、线性区变化，功率管的输出阻抗从高到低急剧变化。另一方面，负载电流也进一步使得LDO的输出阻抗变低。因此，在负载电流从空载到满载变化时，输出极点的频率变化范围很大，增大了频率补偿的设计难度。
为了解决这个问题并且不牺牲环路增益带宽，本发明采用负载电流分区频率补偿方法。
负载电流分区频率补偿电路包括定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv、可变电容Cz、开关SW，定值电阻Rb的阻值大于定值电阻二Rz的阻值，如图4所示，定值电阻Rb一端和可调节电阻Rv一端均与工作电压VDD连接，定值电阻Rb与定值电阻Rz串联后再与可调节电阻Rv并联，开关SW与定值电阻Rb并联，可变电容Cz的两端分别与差动放大器A1的输出端和定值电阻Rz及可调节电阻Rv并联的一端连接。负载电流分区频率补偿电路采用定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv与可变电容Cz形成的串联网络产生的零点来进行频率补偿。可调节电阻Rv的阻值和所述可变电容Cz的电容值均由随负载模块中的负载电流变化的电压进行调节。负载电流分区频率补偿电路采用所述输出功率管的栅极电压作为可调节电阻Rv的调节电压。
如图5所示，本发明中的主要电路模块包括：
由CMOS管M6、CMOS管M7、CMOS管M8、CMOS管M9、CMOS管M10组成的差动放大器A1；
由源极跟随器M1和M2实现的缓冲器A2；
由反相器M3和M4实现的推挽级放大器作为大摆幅高增益放大器A3；
输出功率管Mpass；
由电阻R1和电阻R2组成的反馈电阻网络；
由PMOS管M5、PMOS管M11、Rb、Rz、MOS电容Cz实现的负载电流分区频率补偿电路。其中，可调节电阻Rv由PMOS管M5实现，开关SW由PMOS管M11实现，其功率密度W/L值较大。Rb、Rz为固定阻值电阻。PMOS管M5和PMOS管M11的栅极连接到输出功率管Mpass的栅极。正常工作时，PMOS管M5工作在线性区，则可调节电阻Rv可以作为受输出功率管Mpass的栅极电压Vopp控制的电阻使用。定值电阻Rb与定值电阻Rz串联后与可由PMOS管M5实现的可调节电阻Rv并联，由PMOS管M11实现的开关SW与定值电阻Rb并联，MOS电容Cz的两极分别连接到差动放大器A1的输出端Vea和定值电阻Rz及可调节电阻Rv并联的一极连接。
负载电流在空载到轻载区域时，输出极点的频率较低，是第一主极点。为了抵消其频率响应影响，补偿零点的频率也必须较低。而且，此时输出功率管Mpass工作在亚阈值区，较难精确检测其电流。因此，在该区域内采用固定为低频率的零点进行补偿。当LDO工作在空载到轻载区域时，输出功率管Mpass、PMOS管M5、PMOS管M11均工作在亚阈值区，此时由PMOS管M5实现的可调节电阻Rv和由PMOS管M11实现的开关SW的导通电阻极大，可以认为由PMOS管M11实现的开关SW关断，可调节的电阻Rv此时阻值远大于定值电阻Rb与定值电阻Rz相加之和。MOS电容Cz的电容值不变或者几乎不变。产生的零点频率为低频率且为固定值。
负载电流在轻载到中载区域时，输出功率管Mpass工作状态从亚阈值区变为饱和区，输出极点频率迅速变高。此时，补偿电路也迅速将补偿零点的频率切换为较为固定的高频率。LDO工作在轻载到中载区域时，由于PMOS管M11导通，由PMOS管M11实现的开关SW闭合，而且其W/L值较大，导通电阻较小，将较大的定值电阻Rb短路，补偿电阻等于定值电阻Rz的值或者约为定值电阻Rz的值。通过合理设置参数，可以使得由PMOS管M5实现的可调节电阻Rv此时的导通电阻相对定值电阻Rz较大。因此补偿电路的总电阻迅速减小为Rz，使得补偿零点迅速切换到高频率。补偿零点迅速切换为高频率。
负载电流在中载到满载区域时，输出极点频率逐渐随负载电流变化，补偿后的极点也逐渐变为第一主极点。此时，补偿电路调节补偿零点频率跟随负载电流变化，采用零极点跟踪方法进行频率补偿。当所述负载模块的负载电流从中载到满载区域时，可调节电阻Rv的阻值和可变电容Cz的电容值的变化均与随负载模块中的负载电流变化呈反比，补偿电阻由可调节电阻Rv决定，补偿零点频率随负载模块中的负载电流变化，跟踪输出极点进行补偿。当LDO工作在中载到满载区域时，输出极点随负载电流缓慢向高频移动。此时，输出功率管Mpass的栅极电压Vopp降低，由PMOS管M5实现的可调节电阻Rv的导通电阻减小，此时补偿电路的总电阻逐渐由PMOS管M5实现的可调节电阻Rv的导通电阻决定。同时，差动放大器A1的输出端Vea的电压升高，MOS电容Cz的电容值减小。因此，补偿零点频率随负载电流变化，跟踪输出极点进行补偿。
综上，本发明中的负载电流分区频率补偿电路实现了对负载电流从空载到满载变化时的输出极点的频率进行补偿，保证了LDO从空载到满载整个负载模块的负载电流范围内均保持稳定。
负载电流在不同区域情况下，LDO的稳定性分析仿真结果如图7所示。由以上分析可知，与采用密勒补偿方法不同，本发明LDO未限定第一主极点的频率，因此没有牺牲环路增益带宽。补偿电路的面积受负载电容值影响较小，尤其适用于大负载电容情况。提出的负载电流分区补偿方法克服了零极点跟踪方法中，小负载电流情况下相位裕度较低的缺点。另外，补偿电路不消耗静态电流，与参考文献1中公开的电路相比，进一步降低了静态功耗。
最后说明的是：以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于，包括：
差动放大器A1，其正相输入端与基准电压Vref模块相连接；
反馈电阻网络，其输出端与所述差动放大器A1的反相输入端相连接，所述差动放大器A1用于将所述反馈电阻网络模块输出的反馈电压与所述基准电压Vref模块的基准电压之间的误差进行放大；
缓冲器A2，其输入端与所述差动放大器A1的输出端相连接；
大摆幅高增益放大器A3，其输入端与所述缓冲器A2的输出端连接，所述缓冲器A2用于隔离所述差动放大器A1与所述大摆幅高增益放大器A3；
输出功率管，其输入端与所述大摆幅高增益放大器A3的输出端相连接，其输出端分别与反馈电阻网络、负载模块相连接，所述大摆幅高增益放大器A3用于降低输出功率管的最小栅极电压，同时用于补偿所述缓冲器A2造成的增益衰减，增大LDO的环路增益；
负载电流分区频率补偿电路，其输入端与所述差动放大器A1的输出端相连接，用于在维持LDO的环路增益带宽的前提下，实现负载电流的频率补偿。
2.根据权利要求1所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：所述大摆幅高增益放大器A3为由晶体管组成的推挽级放大器。
3.根据权利要求1所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：还包括工作电压VDD，所述工作电压VDD为所述差动放大器A1、负载电流分区频率补偿电路、输出功率管供电。
4.根据权利要求3所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：所述负载电流分区频率补偿电路包括定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv、可变电容Cz、开关SW；
所述定值电阻Rb的阻值大于定值电阻二Rz的阻值；
所述定值电阻Rb一端和可调节电阻Rv一端均与所述工作电压VDD连接，所述定值电阻Rb与定值电阻Rz串联后再与可调节电阻Rv并联，所述开关SW与定值电阻Rb并联，所述可变电容Cz的两端分别与所述差动放大器A1的输出端和所述定值电阻Rz及可调节电阻Rv并联的一端连接。
5.根据权利要求4所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：所述负载电流分区频率补偿电路采用定值电阻Rb、定值电阻Rz、可调节电阻Rv与可变电容Cz形成的串联网络产生的零点来进行负载电流的频率补偿。
6.根据权利要求4所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：所述可调节电阻Rv的阻值和所述可变电容Cz的电容值均由随负载模块中的负载电流变化的电压进行调节。
7.根据权利要求5所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：所述负载电流分区频率补偿电路采用所述输出功率管的栅极电压作为可调节电阻Rv的调节电压。
8.根据权利要求6所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：当所述负载模块的负载电流从空载到轻载区域时，开关SW关断，此时可变电阻Rv阻值远大于定值电阻Rb的阻值与定值电阻Rz的阻值相加之和，可变电容Cz不变，产生的零点频率为低频率且为固定值。
9.根据权利要求6所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：当所述负载模块的负载电流从轻载到中载区域时，开关SW闭合，将定值电阻Rb短路，补偿电阻值约为定值电阻Rz，补偿零点频率切换为高频率。
10.根据权利要求6所述的一种小面积快速瞬态响应全片上集成LDO电路，其特征在于：当所述负载模块的负载电流从中载到满载区域时，可调节电阻Rv的阻值和可变电容Cz的电容值的变化均与随负载模块中的负载电流变化呈反比，补偿电阻由可调节电阻Rv决定，补偿零点频率随负载模块中的负载电流变化，跟踪输出极点进行补偿。
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