CN114115414B - 一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路 - Google Patents

一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，包括启动单元、偏置单元、N个电压产生单元和频率补偿与电压输出单元，其中启动单元输出电平信号启动偏置单元；偏置单元输入偏置电流至电压产生单元，输入偏置电压到频率补偿与电压输出单元；频率补偿与电压输出单元进行频率补偿和输出电压；第一个电压产生单元根据偏置电流产生钳位电压并输入下一级电压产生单元，最后一个电压产生单元根据偏置电流和上一级的钳位电压输出电压至电路输出端。本发明无需基准电压或电流电路、无需运算放大器电路，降低功耗并增加线性稳压电路的工作带宽，提高电源噪声抑制能力；电路结构上的大幅度简化，减少了输出噪声来源，具备低输出噪声的特点。

Description

一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路
技术领域
本发明涉及射频与模拟集成电路技术领域，具体的说，是一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路。
背景技术
芯片应用时，需要外接电源，在不同的应用环境中，外接电源有一定差异，差异性主要有两点：一是外接电源输出电压大小不同，若采用纽扣电池供电，其输出典型电压为3.3V，若采用锂电池供电，其输出电压可能达到3.7V。且在电池电量较低时，电池输出电压可能大幅度降低，比如纽扣电池可能的输出电压范围在1.8V~3.6V，锂电池可能的输出电压范围在1.8V~3.7V等，这就需要芯片在较宽的供电电压下能够正常工作；二是外接电源的噪声性能不同，一些电源的输出噪声较大，且存在一定的杂散问题，电源的噪声或者输出的杂散可能影响芯片的性能，这就需要芯片内部能够抑制电源噪声和电源杂散。为了解决这两种问题，目前在集成电路领域，使用最为广泛的就是线性稳压电路，该电路在输入电压发生一定范围内变化时，能保持输出电压的稳定，同时能够大幅度抑制电源上的输出噪声和杂散。但是，只要是有源电路，电路自身均会产生一定的输出噪声，进而影响输出电压质量，线性稳压电路也不例外。芯片内的一些电路对噪声性能要求很高。这就需要对其供电的线性稳压电路具备良好的噪声性能。在对功耗要求苛刻的应用领域，特别是需要长时间工作的物联网芯片领域，对芯片的功耗要求非常高，而在芯片内可能存在多个线性稳压电路的情况，这就需要线性稳压电路具备低功耗的要求。因此，设计一款具备宽电压工作、高电源噪声抑制能力、低噪声性能以及低功耗特点的线性稳压电路十分必要。
而现有技术中的线性稳压电路，具备两个不可忽略的缺点：一是线性稳压电路需要外部提供基准电压或基准电流，需要借助于其它电路才能工作，不具备独立工作能力，而引入的基准电压或基准电流产生电路，会增加电路功耗，且基准电压或基准电流产生电路的噪声引入到线性稳压电路，恶化了线性稳压电路的噪声性能；二是采用了误差放大器，误差放大器采用差分运算放大器电路结构，差分运放要消耗电流，增加了线性稳压电路的功耗，产生的噪声也会恶化线性稳压电路的性能，同时误差放大器引入的反馈环路需要进行频率补偿，该频率补偿一般会减小线性稳压电路的工作带宽，导致远端频率的电源噪声抑制能力变弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，用于解决现有技术中的线性稳压电路需要借助外部基准电压或基准电流增加了电路功耗、引入噪声以及采用了运算放大器增加功耗、产生噪声和电源噪声抑制能力变弱的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，其特征在于，包括启动单元、偏置单元、N个电压产生单元和频率补偿与电压输出单元，其中：
启动单元，在上电时输出用于启动偏置单元的电平信号；
偏置单元，由所述电平信号触发启动，产生N路偏置电流并分别输入到N个电压产生单元，偏置单元还产生一路偏置电压并输入到频率补偿与电压输出单元；
频率补偿与电压输出单元，用于进行频率补偿以及向外输出电压；
N个电压产生单元级联，其中，第一个电压产生单元根据输入的偏置电流产生第一钳位电压并输入第二路电压产生单元，第二个电压产生单元根据输入的偏置电流和第一钳位电压产生第二钳位电压并输入到下一级，以此类推，第N个电路产生单元的电压输出端与所述频率补偿与电压输出单元的输出端连接。
工作原理：
启动单元在上电时，会输出高电平信号至偏置单元，用于启动偏置单元，偏置单元的功能是为电压产生单元提供偏置电流，为频率补偿与电压输出单元提供偏置电压。第一个电压产生单元根据输入的偏置电流大小，输出电压至第二个电压产生单元，第二个电压产生单元根据输入的偏置电流和输入电压大小，产生输出电压至下一个电压产生单元，以此类推，最后一个电压产生单元输出电压至频率补偿与电压输出单元；
频率补偿与电压输出单元主要实现两方面功能，一是该单元内部包含电阻和电容器件，为环路增加零点，进而进行频率补偿，保证环路的稳定性，二是进行电压输出，并为外接负载提供所需的电流。
本发明的线路稳压器，无需基准电压或基准电流电路，能够独立工作，无需运算放大器，大幅降低功耗并增加线性稳压电路的工作带宽，提高了远端电源噪声抑制能力；电路结构上的大幅度简化，减少了输出噪声来源，具备低输出噪声的特点；采用钳位电路结构，很容易实现宽输入电压工作能力。可以解决目前已有线性稳压电路的不能独立工作、功耗高、结构复杂等缺点。
作为本发明的优选实施方式，当线性稳压电路包括级联的第一电压产生单元和第二电压产生单元，即N为2时，所述偏置单元包括MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M10、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C2和电容C3，其中：
MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4的源极连接供电输入电压并连接电阻R1的第一端，MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4共栅极连接并与电阻R1的第二端和MOS管M8的源极连接；
MOS管M2的漏极连接所述启动单元的输出端、MOS管M6的栅极、MOS管M7的栅极、MOS管M10的漏极和电容C2的第一端，MOS管M10的栅极与MOS管M6的源极和电阻R3的第一端连接，电容C2的第二端、电阻R3的第二端和MOS管M10的源极接地；
MOS管M3的漏极连接MOS管M6的漏极和MOS管M8的栅极；MOS管M8的漏极输出偏置电流至所述第一电压产生单元；
MOS管M4的漏极连接MOS管M7的漏极并输出偏置电压至所述频率补偿与电压输出单元；MOS管M7的源极连接电阻R4的第一端输出偏置电流至所述第二电压产生单元，电阻R4的第二端接地。
作为本发明的优选实施方式，所述第一电压产生单元包括MOS管M11，MOS管M11的漏极连接所述MOS管M8的漏极和所述第二电压产生单元的电压输入端，MOS管M11的栅极和漏极连接，MOS管M11的源极接地。
所述第二电压产生单元包括MOS管M9，MOS管M9的漏极连接所述MOS管M7的源极，MOS管M9的栅极连接所述MOS管M11的漏极，MOS管M9的源极连接所述频率补偿与电压输出单元。
采用嵌位电压的方式，省去了复杂的偏置电路和误差放大器，降低了功耗和输出噪声。
作为本发明的优选实施方式，所述频率补偿与电压输出单元包括MOS管M5、电容C1、电阻R2和电容C4，其中，MOS管M5的栅极连接所述MOS管M4的漏极、电阻R2的第一端，MOS管M5的源极连接供电输入电压和电容C1的第一端，电容C1的第二端与电阻R2的第二端连接，MOS管M5的漏极作为输出端向外提供输出电压并通过电容C2接地。
作为本发明的优选实施方式，所述启动单元包括MOS管M1，MOS管M1的源极连接供电输入电压，栅极接地，漏极作为输出端连接所述偏置单元。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明无需基准电压或电流电路，能独立工作；无需运算放大器电路，大幅降低功耗并增加线性稳压电路的工作带宽，提高了远端电源噪声抑制能力；电路结构上的大幅度简化，减少了输出噪声来源，具备低输出噪声的特点；采用钳位电路结构，很容易实现宽输入电压工作能力。在涉及复杂供电环境、低功耗、高性能等芯片供电领域，具备较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电路框图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为线性稳压电路输出噪声随频率变化曲线图；
图4为线性稳压电路电源噪声抑制能力曲线图；
图5为线性稳压电路输出电压随输入电压变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，其特征在于，包括启动单元、偏置单元、N个电压产生单元和频率补偿与电压输出单元，其中：
启动单元，在上电时输出用于启动偏置单元的电平信号；
偏置单元，由所述电平信号触发启动，产生N路偏置电流并分别输入到N个电压产生单元，偏置单元还产生一路偏置电压并输入到频率补偿与电压输出单元；
频率补偿与电压输出单元，用于进行频率补偿以及向外输出电压；
N个电压产生单元级联，其中，第一个电压产生单元根据输入的偏置电流产生第一钳位电压并输入第二路电压产生单元，第二个电压产生单元根据输入的偏置电流和第一钳位电压产生第二钳位电压并输入到下一级，以此类推，第N个电路产生单元的电压输出端与所述频率补偿与电压输出单元的输出端连接。
工作原理：
启动单元在上电时，会输出高电平信号至偏置单元，用于启动偏置单元，偏置单元的功能是为电压产生单元提供偏置电流，为频率补偿与电压输出单元提供偏置电压。第一个电压产生单元根据输入的偏置电流大小，输出电压至第二个电压产生单元，第二个电压产生单元根据输入的偏置电流和输入电压大小，产生输出电压至下一个电压产生单元，以此类推，最后一个电压产生单元输出电压至频率补偿与电压输出单元；
频率补偿与电压输出单元主要实现两方面功能，一是该单元内部包含电阻和电容器件，为环路增加零点，进而进行频率补偿，保证环路的稳定性，二是进行电压输出，并为外接负载提供所需的电流。
本发明的线路稳压器，无需基准电压或基准电流电路，能够独立工作，无需运算放大器，大幅降低功耗并增加线性稳压电路的工作带宽，提高了远端电源噪声抑制能力；电路结构上的大幅度简化，减少了输出噪声来源，具备低输出噪声的特点；采用钳位电路结构，很容易实现宽输入电压工作能力。可以解决目前已有线性稳压电路的不能独立工作、功耗高、结构复杂等缺点。
实施例2：
在实施例1的基础上，当N取2时，结合附图2所示，所述启动单元包括MOS管M1，MOS管M1的源极连接供电输入电压，栅极接地，漏极作为输出端连接所述偏置单元；
当线性稳压电路包括级联的第一电压产生单元和第二电压产生单元，即N为2时，所述偏置单元包括MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M10、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C2和电容C3，其中：
MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4的源极连接供电输入电压并连接电阻R1的第一端，MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4共栅极连接并与电阻R1的第二端和MOS管M8的源极连接；
MOS管M2的漏极连接所述启动单元的输出端、MOS管M6的栅极、MOS管M7的栅极、MOS管M10的漏极和电容C2的第一端，MOS管M10的栅极与MOS管M6的源极和电阻R3的第一端连接，电容C2的第二端、电阻R3的第二端和MOS管M10的源极接地；
MOS管M3的漏极连接MOS管M6的漏极和MOS管M8的栅极；MOS管M8的漏极输出偏置电流至所述第一电压产生单元；
MOS管M4的漏极连接MOS管M7的漏极并输出偏置电压至所述频率补偿与电压输出单元；MOS管M7的源极连接电阻R4的第一端输出偏置电流至所述第二电压产生单元，电阻R4的第二端接地。
所述第一电压产生单元包括MOS管M11，MOS管M11的漏极连接所述MOS管M8的漏极和所述第二电压产生单元的电压输入端，MOS管M11的栅极和漏极连接，MOS管M11的源极接地；所述第二电压产生单元包括MOS管M9，MOS管M9的漏极连接所述MOS管M7的源极，MOS管M9的栅极连接所述MOS管M11的漏极，MOS管M9的源极连接所述频率补偿与电压输出单元。电压产生单元采用嵌位的方式，省去了复杂的偏置电路和误差放大器，降低了功耗和输出噪声。
所述频率补偿与电压输出单元包括MOS管M5、电容C1、电阻R2和电容C4，其中，MOS管M5的栅极连接所述MOS管M4的漏极、电阻R2的第一端，MOS管M5的源极连接供电输入电压和电容C1的第一端，电容C1的第二端与电阻R2的第二端连接，MOS管M5的漏极作为输出端向外提供输出电压并通过电容C2接地。频率补偿与电压输出单元105根据输入偏置电压VB，产生与第二电压产生单元输出电压相等的电压Vout作为输出电压，并提供电流输出能力。同时，在频率补偿与电压输出单元105中，加入电阻和电容器件，从而新增或调整环路零点位置，保证环路最优相位裕度和增益裕度，保证线性稳压电路稳定工作。
MOS管M1在关断状态，相当于一个大电阻，上电启动时，输出电压信号VS，用于启动偏置电路102；偏置单元102产生偏置电流
Figure DEST_PATH_IMAGE002
输出端至第一电压产生单元103，第一电压产生单元103根据
Figure 668438DEST_PATH_IMAGE002
的大小，产生嵌位电压VO1并输出至第二电压产生单元104；偏置单元102产生偏置电流
Figure DEST_PATH_IMAGE004
并输出至第二电压产生单元104，第二电压产生单元104根据
Figure 772529DEST_PATH_IMAGE004
和嵌位电压VO1的大小，产生嵌位电压VO2并输出至频率补偿与电压输出单元105；偏置单元102产生偏置电压VB并输出至频率补偿与电压输出单元105；
偏置电流
Figure 83425DEST_PATH_IMAGE002
和偏置电流
Figure 150738DEST_PATH_IMAGE004
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为MOS管M10的栅源电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为晶体管的表面迁移率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为单位面积栅氧化物电容、W为MOS管沟道宽度、L为MOS管沟道长度、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为MOS管M3的沟道宽度和长度L之比、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为MOS管M3的阈值电压，R3为电阻R3的值、R4为电阻R4的值；
第一电压产生单元103的输出电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为MOS管M11的沟道宽度和长度之比、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为MOS管M11的阈值电压；
第二电压产生单元104中输出的电压Vout即为频率补偿和电压输出单元105提供给外接负载的电压，该电压满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
是MOS管M9的沟道宽度和长度之比、
Figure DEST_PATH_IMAGE032
是MOS管M9的阈值电压；
频率补偿与电压输出单元105提供给外接负载的电流Iout满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为MOS管M5的沟道宽度和长度之比、VDD为供电输入电压、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是MOS管M5的阈值电压，VB为偏置电压；
电阻R2和电容C1是频率补偿器件，保证线性稳压电路工作稳定，其工作原理是在偏置电压VB的输出节点为MOS管M5、M9、M7构成的环路提供一个传输零点，可保证环路稳定性。该环路的传递函数H(S)可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为该环路除偏置电压VB的输出节点外的传递函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为节点VB等效跨导，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为偏置电压VB的输出节点除电容C1、电阻R2外的等效输出阻抗；C1为电容C1的值，R2为电阻R2的值，S为复数频率；
因此，在频率补偿与电压输出单元105中的电阻R2和电容C1为环路引入的传输零点
Figure DEST_PATH_IMAGE048
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
由于本发明不存在运算放大器反馈环路，输出噪声来源大大减少，主要来源于MOS管M9、M10、M11以及电阻R1、R3、R4。而MOS管M10、电阻R1、R3、的噪声可以通过电容C2、电容C3滤除，电阻R4的噪声通过MOS管M9的漏源电阻分压抑制。因此输出噪声来源主要受MOS管M9、M11的影响，总体输出噪声功率
Figure DEST_PATH_IMAGE052
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为MOS管M9跨导、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为MOS管M11跨导，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为MOS管M11的漏源电阻、
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为外界负载等效输入电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
分别为MOS管M11、MOS管M9的沟道热噪声；因此，本实施例输出噪声仅来源于MOS管M9和M11，且可以增加MOS管M9、M11跨导来降低输出噪声，从而达到低噪声输出能力。
本发明的线性稳压电路输出噪声随频率变化曲线见图3，在1MHz频率处，输出噪声达到了非常低的2.5nV/sqrt(Hz)。电源噪声抑制能力见图4，在400MHz频率内，对电源噪声或者杂散抑制能力不低于44dBc。输出电压随输入电压的变化曲线见图5，实现了宽输入电压工作的能力。整个线性稳压电路静态功耗可以控制到60uA以内，甚至可以做到更低功耗。
综上，本发明省去了复杂的偏置电路和误差放大器，提供了一种实现了输出噪声低、电源噪声抑制能力强、能宽电压范围内工作且功耗低的线性稳压电路。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (3)

1.一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，其特征在于，包括启动单元、偏置单元、N个电压产生单元和频率补偿与电压输出单元，其中：
启动单元，在上电时输出用于启动偏置单元的电平信号；
偏置单元，由所述电平信号触发启动，产生N路偏置电流并分别输入到N个电压产生单元，偏置单元还产生一路偏置电压并输入到频率补偿与电压输出单元；
频率补偿与电压输出单元，用于进行频率补偿以及向外输出电压；
N个电压产生单元级联，其中，第一个电压产生单元根据输入的偏置电流产生第一钳位电压并输入第二路电压产生单元，第二个电压产生单元根据输入的偏置电流和第一钳位电压产生第二钳位电压并输入到下一级，以此类推，第N个电路产生单元的电压输出端与所述频率补偿与电压输出单元的输出端连接；
当线性稳压电路包括级联的第一电压产生单元和第二电压产生单元，即N为2时，所述偏置单元包括MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M10、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C2和电容C3，其中：
MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4的源极连接供电输入电压并连接电阻R1的第一端，MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4共栅极连接并与电阻R1的第二端和MOS管M8的源极连接；
MOS管M2的漏极连接所述启动单元的输出端、MOS管M6的栅极、MOS管M7的栅极、MOS管M10的漏极和电容C2的第一端，MOS管M10的栅极与MOS管M6的源极和电阻R3的第一端连接，电容C2的第二端、电阻R3的第二端和MOS管M10的源极接地；
MOS管M3的漏极连接MOS管M6的漏极和MOS管M8的栅极；MOS管M8的漏极输出偏置电流至所述第一电压产生单元；
MOS管M4的漏极连接MOS管M7的漏极并输出偏置电压至所述频率补偿与电压输出单元；MOS管M7的源极连接电阻R4的第一端输出偏置电流至所述第二电压产生单元，电阻R4的第二端接地；
所述频率补偿与电压输出单元包括MOS管M5、电容C1、电阻R2和电容C4，其中，MOS管M5的栅极连接所述MOS管M4的漏极、电阻R2的第一端，MOS管M5的源极连接供电输入电压和电容C1的第一端，电容C1的第二端与电阻R2的第二端连接，MOS管M5的漏极作为输出端向外提供输出电压并通过电容C2接地；
所述启动单元包括MOS管M1，MOS管M1的源极连接供电输入电压，栅极接地，漏极作为输出端连接所述偏置单元。
2.根据权利要求1所述的一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，其特征在于，所述第一电压产生单元包括MOS管M11，MOS管M11的漏极连接所述MOS管M8的漏极和所述第二电压产生单元的电压输入端，MOS管M11的栅极和漏极连接，MOS管M11的源极接地。
3.根据权利要求2所述的一种独立的无运算放大器结构的线性稳压电路，其特征在于，所述第二电压产生单元包括MOS管M9，MOS管M9的漏极连接所述MOS管M7的源极，MOS管M9的栅极连接所述MOS管M11的漏极，MOS管M9的源极连接所述频率补偿与电压输出单元。
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