CN113867465B - 一种用于片内可调节带宽的ldo模块 - Google Patents

Abstract

一种用于片内可调节带宽的LDO模块，包括基准电压产生电路、电流偏置电路、基准电流产生电路、误差比较器电路和功率管级电路。误差比较器电路采用折叠式共源共栅运放结构；其正向输入端与功率管级电路输出端的分压处相连以形成负反馈，基准电流产生电路与电流偏置电路经由In_p引脚连接，误差比较器电路的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接；误差比较器电路的输出端与功率管级电路连接。通过基准电流产生电路的电流调节功能调节基准电流，控制误差比较器的带宽、摆幅等参数，从而提供LDO瞬态响应和功耗之间的折中选择。该模块电路结构简单，不仅能够用于片外，也易于片内集成，在各种MOS工艺下均能够发挥稳定性能。该模块结构在低压作用下，误差放大器依然能够实现较大增益。

Description

一种用于片内可调节带宽的LDO模块

技术领域

本发明涉及到集成电路设计领域，具体说是一种用于片内可调节带宽的LDO模块。

背景技术

随着带隙基准电压的出现，目前LDO芯片中使用最广泛的基准电压都是由带隙基准电压提供。LDO的负载调整能力和误差放大器的增益有着直接的关系，而LDO对于输出电压变化的响应速度受到误差放大器带宽和摆幅的限制和影响。因此，能够调节LDO中误差放大器带宽设计对于LDO的适应性变显得尤为重要。

当LDO负载电流或者电源电压发生跳变时，会造成LDO输出电压的变化，随后LDO通过负反馈系统使得输出电压重新回到稳定值的过程叫做LDO瞬态响应。在LDO中有过冲电压和恢复时间这两个重要指标，过冲电压表示的是输出电压的最大变化，而恢复时间表示的是LDO输出电压重新恢复到稳定值所需要的时间。较大的过冲电压在恢复时间长的情况下很可能会使得MOS管的击穿而导致芯片失效。LDO的瞬态响应不仅仅由LDO环路小信号决定，还涉及LDO环路中各级放大器对于负载电容进行充放电所造成的打信号响应。因此，协调误差放大器中带宽、摆幅、以及功耗之间的关系，添加辅助电路以改善大信号响应等成为目前LDO研究的一大热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于片内可调节带宽的LDO模块。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种用于片内可调节带宽的LDO模块，包括基准电压产生电路、电流偏置电路、基准电流产生电路、误差比较器电路和功率管级电路。

所述的基准电压产生电路是由电阻反馈网络构成一个负反馈系统，为误差比较器电路输入端提供小于带隙基准电压的参考电压。

所述的电流偏置电路由4个PMOS管和1个NMOS管构成，用于控制误差比较器的电流。

所述的基准电流产生电路包括电流调节模块、长尾式运放模块、偏置电压模块；其中，电流调节模块包括由1个NMOS管与vbt端口组成的旁路开关，2个串联电阻，1个PMOS管构成，PMOS管的漏极经LPB引脚与电流偏置电路PMOS管的源极连接；长尾式运放模块由一组差分对管、4个PMOS管以及一个NMOS尾管Mtail构成；偏置电压模块由3个PMOS管串联，利用MOS管分压结构提供电压偏置，即所有串联管子都是衬源短接、栅漏短接。

所述的误差比较器电路采用折叠式共源共栅运放结构；其正向输入端与功率管级电路输出端的分压处相连以形成负反馈，基准电流产生电路与电流偏置电路经由In_p引脚连接，所述的误差比较器电路的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接；所述误差比较器电路的输出端与功率管级电路连接。

所述的功率管级电路包括功率管Mout及功率补偿模块。

进一步的，所述电流偏置电路由PMOS管Mpt1、PMOS管Mpt2、PMOS管Mpt3、PMOS管Mpt4和与NMOS管Mnt0构成。

进一步的，所述误差比较器电路由差分管Md1、差分管Md2，PMOS管Mpt5、NMOS管Mnt1、NMOS管Mnt2、NMOS管Mnt3、NMOS管Mnt4、PMOS管Mpt6、PMOS管Mpt7、PMOS管Mpt8、PMOS管Mpt9组成的折叠式共源共栅运放。

进一步的，所述功率管级电路的功率补偿模块是将电阻Rb与电容MC0串联在功率管Mout的栅极与漏极之间。

进一步的，所述NMOS管Mnt4的源端与输出端之间连接电容MC1。

进一步的，所述电流调节模块包括由NMOS管MT与vbt端口组成的旁路开关、电阻Rr、电阻Rt串联和PMOS管MP_D，旁路开关用于旁路掉串联电阻Rt，用以改变通过PMOS管MP_D中的电流。

进一步的，所述长尾式运放模块是由差分管Mnd1、差分管Mnd2、PMOS管MPL1、PMOS管MPL2、PMOS管MPL3、PMOS管MPL4以及一个NMOS尾管Mtail构成长尾式共源共栅运放。

进一步的，所述偏置电压模块由PMOS管Mg0、PMOS管Mg1、PMOS管Mg2串联，其连接方式为衬底与源极相连，栅极与漏端相连，通过该结构为误差比较器电路的MOS管和导通管提供偏置电压，为长尾式运放模块提供比较基准电压，将PMOS管MP_D的漏极钳制在固定的电压之下；所述的偏置电压模块输出端设有In_p引脚。

进一步的，所述基准电压产生电路是由bandgap输出端VBREG经运算放大器、PMOS管MPB、电阻Vb1、Vb2与Vref输入端连接，输出电压Vref＝VBREG×Vb2/(Vb1+Vb2)。

进一步的，所述In_p引脚与LPB引脚之间设有NMOS管MN_T，NMOS管MN_T的栅极导通电压由MOS管串联所得分压In_p提供，其源端与GND之间连接电容MC3。

本发明创造的有益效果为：本发明采用上述结构，通过基准电流产生电路的电流调节模块调节基准电流，控制误差比较器的带宽、摆幅等参数，从而提供LDO瞬态响应和功耗之间的折中选择。该结构作为一种LDO结构，具有着良好的负载调整能力和较大的带负载能力，不仅能够对模拟芯片供电，也能够对数字芯片供电。该模块电路结构简单，不仅能够用于片外，也易于片内集成，在各种MOS工艺下均能够发挥稳定性能。该模块结构在低压作用下，误差放大器依然能够实现较大增益。

附图说明

图1为本发明电流偏置电路、误差比较器电路及功率管级电路部分的原路图。

图2为本发明基准电流产生电路部分的原路图。

图3为本发明基准电压产生电路部分的原理图。

具体实施方式

一种用于片内可调节带宽的LDO模块，包括基准电压产生电路1、电流偏置电路2、基准电流产生电路5、误差比较器电路3和功率管级电路4。

基准电压产生电路1如图3所示，是由电阻反馈网络构成一个负反馈系统，为误差比较器电路输入端提供小于带隙基准电压的参考电压。

Vref作为电压比较基准电压，由于Vref是小于带隙基准电压，所以其电压是通过带隙基准的电阻分压得到，由于Bandgap没有带负载能力，所以不能在Bandgap输出端直接用串联电阻分压。因此特别设计了如图3所示的基准电压产生电路1，具体是由bandgap输出端VBREG经运算放大器、PMOS管MPB、电阻Vb1、Vb2与Vref输入端连接。通过该电路来输出比带隙基准电压更小的电压Vref＝VBREG×Vb2/(Vb1+Vb2)。

电流偏置电路2、误差比较器电路3、功率管级电路4结构如图1所示。

电流偏置电路2由PMOS管Mpt1、PMOS管Mpt2、PMOS管Mpt3、PMOS管Mpt4和与NMOS管Mnt0构成，用于控制误差比较器的电流。

误差比较器电路3采用折叠式共源共栅运放结构；具体的由一对PMOS管Md1、Md2作为差分对管，PMOS管Mpt5、NMOS管Mnt1、NMOS管Mnt2、NMOS管Mnt3、NMOS管Mnt4、PMOS管Mpt6、PMOS管Mpt7、PMOS管Mpt8、PMOS管Mpt9组成的折叠式共源共栅运放。其正向输入端与基准电流产生电路5的偏置电压模块51输出端经由In_p引脚连接，所述的误差比较器电路3的负向输入端与基准电压产生电路1的输出端连接；所述误差比较器电路3的输出端与功率管级电路4连接。

功率管级电路4包括功率管Mout及功率补偿模块。所述功率补偿模块是将电阻Rb与电容MC0串联在功率管Mout的栅极与漏极之间，作为频率补偿，Rb为调零电阻，MC0为MOS电容。

基准电流产生电路5如图2所示，包括电流调节模块51、长尾式运放模块52、偏置电压模块53。

其中，电流调节模块51包括由NMOS管MT与vbt端口组成的旁路开关、电阻Rr、电阻Rt、和PMOS管MP_D。其中电阻Rr与电阻Rt串联，NMOS管与vbt端口组成的旁路开关用于旁路掉串联电阻Rt，用以改变通过PMOS管MP_D中的电流，从而改变LDO结构中误差放大器电流以达到调整环路带宽的目的。PMOS管MP_D的源极经LPB引脚与电流偏置电路PMOS管Mpt4的漏极连接；

长尾式运放模块52是由NMOS管Mnd1和NMOS管Mnd2作为差分对管、PMOS管MPL1、PMOS管MPL2、PMOS管MPL3、PMOS管MPL4组成长尾式运放。

偏置电压模块53由PMOS管Mg0、PMOS管Mg1、PMOS管Mg2串联，其连接方式为衬底与源极相连，栅极与漏端相连，通过该结构为误差比较器电路的MOS管和导通管提供偏置电压，为长尾式运放模块提供比较基准电压以及偏置电压，将PMOS管MP_D的漏极钳制在固定的电压之下，并给尾部NMOS管Mtail提供偏置电压；所述的偏置电压模块输出端设有In_p引脚。

In_p引脚与LPB引脚之间设有NMOS管MN_T，NMOS管MN_T的栅极导通电压由MOS管串联所得分压In_p提供，其源端与GND之间连接电容MC3，Mnt3与Mnt4栅极电压也由In_p端提供。

电容MC1连接在NMOS管Mnt4的源极与输出端VOUT之间作为嵌套式补偿，稳定环路，避免振荡。

本发明的工作原理：当LDO正常工作时，Vref作为基准电压为输出端的分压提供比较电压，通过电阻反馈网络构成一个负反馈的闭环系统。当LDO输出端电压下降时，通过电阻反馈网络提供反馈信号与基准电压比较，使得误差放大器的同向输入端电压下降，调整功率管Mout的栅极电压，从而使得功率管对外提供更多的电流，抬升VOUT端的电压；同理，当LDO输出端VOUT上升时，通过电阻反馈网络提供反馈信号，使得同相输入端电压上升，并通过和误差比较器的反相输入端基准电压进行比较，调整误差比较器输出端信号，即增大Mout管栅极电压，驱使功率管减少对外提供电流，从而拉低VOUT的电压。LDO对于输出电压变化的瞬态响应受到误差放大器中带宽和摆幅的限制和影响，而误差放大器的本质是一个折叠式共源共栅运算放大器，运算放大器的带宽和摆幅等参数都是基准电流的函数。在图1中Mpt3与Mpt4的串联支路为LDO误差比较器的基准电流支路，通过LPB与图2的MP_D管源端相连，在旁路开关管MT的作用下进行基准电流选择。通过基准电流来镜像复制出图1中误差放大器的工作电流，从而来控制误差放大器的带宽和摆幅以及增益。在图2中的基准电压由PMOS管串联分压可得，在类似于LDO电路结构的作用下使得MP_D管的漏端电压被钳制在一定的稳定值下，从而可以得到精准可控的基准电流。在vbt电压选择下，该电路可以提供两种基准电流，扩大了LDO的工作范围，让用户可以在不同条件下自主选择工作模式。在图3中提出了一种基准电压产生电路，用来提供小于带隙基准电压的稳定而精准的基准电压，其原理也是通过电阻反馈网络构成一个负反馈系统来输出稳定电压。

Claims (8)

1.一种用于片内可调节带宽的LDO模块，其特征在于，包括基准电压产生电路、电流偏置电路、基准电流产生电路、误差比较器电路和功率管级电路；

所述的基准电压产生电路是由电阻反馈网络构成一个负反馈系统，为误差比较器电路输入端提供小于带隙基准电压的参考电压；

所述的电流偏置电路由4个PMOS管和1个NMOS管构成，用于控制误差比较器的电流；

所述的基准电流产生电路包括电流调节模块、长尾式运放模块、偏置电压模块；

其中电流调节模块包括由1个NMOS管与vbt端口组成的旁路开关，2个串联电阻，1个PMOS管构成，PMOS管的漏极经LPB引脚与电流偏置电路PMOS管的源极连接；

长尾式运放模块是由一组差分对管、4个PMOS管以及一个NMOS管组成长尾式共源共栅运放；

偏置电压模块由3个PMOS管串联，利用MOS管分压结构提供电压偏置；

所述的误差比较器电路采用折叠式共源共栅运放结构；其正向输入端与功率管级电路输出端的分压处相连以形成负反馈，基准电流产生电路与电流偏置电路经由In_p引脚连接，所述的误差比较器电路的负向输入端与基准电压产生电路的输出端连接；所述误差比较器电路的输出端与功率管级电路连接；

所述的功率管级电路包括功率管Mout及功率补偿模块。

2.根据权利要求1所述的LDO模块，其特征在于，所述的误差比较器电路是由差分管Md1、差分管Md2，PMOS管Mpt5、NMOS管Mnt1、NMOS管Mnt2、NMOS管Mnt3、NMOS管Mnt4、PMOS管Mpt6、PMOS管Mpt7、PMOS管Mpt8、PMOS管Mpt9组成折叠式共源共栅运放。

3.根据权利要求1所述的LDO模块，其特征在于，所述的功率管级电路的功率补偿模块是将电阻Rb与电容MC0串联在功率管Mout的栅极与漏极之间。

4.根据权利要求2所述的LDO模块，其特征在于，所述的NMOS管Mnt4的源端与输出端VOUT之间连接电容MC1。

5.根据权利要求1所述的LDO模块，其特征在于，所述的电流调节模块包括由NMOS管MT与vbt端口组成的旁路开关、电阻Rr、电阻Rt串联和PMOS管MP_D构成。

6.根据权利要求1所述的LDO模块，其特征在于，所述的偏置电压模块由PMOS管Mg0、PMOS管Mg1、PMOS管Mg2串联，其连接方式为衬底与源极相连，栅极与漏端相连，所述的偏置电压模块输出端设有In_p引脚。

7.根据权利要求1所述的LDO模块，其特征在于，所述的基准电压产生电路是由带隙基准模块bandgap输出端VBREG经运算放大器、PMOS管MPB、电阻Vb1、Vb2与Vref输入端连接，输出电压Vref＝VBREG×Vb2/(Vb1+Vb2)。

8.根据权利要求6所述的LDO模块，其特征在于，所述的In_p引脚与LPB引脚之间设有NMOS管MN_T，NMOS管MN_T的栅极导通电压由MOS管串联所得分压In_p提供，其源端与GND之间连接电容MC3。

Images