CN114879792A - 一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器 - Google Patents

一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，包括依次连接的慢环路模块、误差放大器模块以及快环路模块，所述慢环路模块包括两级源极跟随器，所述误差放大器模块分别接入输入电压、以及所述慢环路模块的输出电压，生成控制电压提供给所述快环路模块，以控制所述快环路模块产生LDO输出，所述快环路模块采用FVF结构。本发明具有结构简单、成本低、稳定性好、电路面积小且瞬态响应快、电源抑制比高等优点。

Description

一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及稳压器技术领域，尤其涉及一种翻转电压跟随器(Flipped VoltageFollower，FVF)结构的双环路低压差线性稳压器。
背景技术
随着集成电路技术的进步，芯片的时钟频率和数据通信速率提高的同时对抖动的要求也同步提升。根据固态技术协会发布的DDR4的标准，在3200MHz频率下，要求时钟的周期抖动要低于32ps。为了满足源同步系统中的时钟抖动要求，需要具有高电源抑制比的电源管理芯片抑制电源纹波和噪声。
低压差线性稳压器(low-dropout regulators，LDO)是对噪声敏感的系统中最常用的电源管理芯片之一，具有输出稳定、响应速度快、易于集成、体积小等特点，使得其在航空、生物医疗、显示设备等应用领域具有巨大优势。现有技术中全集成LDO中通常不会设置片外电容，由于没有片外电容，瞬态响应和电源抑制能力会显著降低，而如果直接在全集成LDO中加入片外电容，由于带片外电容的LDO占电路面积大，且不能消除高频噪声，又会带来使得系统整体面积大，还会存在高频噪声等问题。因此亟需提供一种全集成的LDO，使得能够同时满足瞬态响应快和电源噪声抑制能力强的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低、瞬态响应快、电源抑制比高、稳定性好且电路面积小的基于FVF结构的双环路低压差线性稳压器
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，包括依次连接的慢环路模块、误差放大器模块以及快环路模块，所述慢环路模块包括两级源极跟随器，所述误差放大器模块分别接入输入电压vinp、以及所述慢环路模块的输出电压vinn，生成控制电压vset提供给所述快环路模块，以控制所述快环路模块产生LDO输出vp_out，所述快环路模块采用FVF结构。
进一步的，所述快环路模块包括开关管M13、开关管M15以及开关管Mp，所述开关管M15的栅极接入所述控制电压vset，所述开关管M15的源极通过一电阻R分别连接所述开关管Mp的漏极、LDO输出vp_out的输出端，所述开关管M15的漏极、开关管M13的源极分别连接第一电流源，所述开关管M13的漏极连接第二电流源以构成共栅极放大器，所述开关管M13的栅极接入偏置电压Vb，所述开关管Mp的栅极与电源之间设置有串联连接的电阻Rz以及电容Cc。
进一步的，所述慢环路模块包括开关管M5、开关管M6、开关管M7以及开关管M8，所述开关管M5的栅极接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias，源极连接所述开关管M6的漏极，所述开关管M5的漏极连接开关管M8的源极，所述开关管M6的栅极接入信号vgate，源极分别与开关管M7的漏极、开关管M8的栅极连接，所述开关管M7的栅极连接偏置产生电路产生的第二偏置电压vnbias，所述开关管M7的源极、开关管M8的漏极接地，所述开关管M6的源极与所述开关管M7的漏极之间还连接所述开关管M8的栅极。
进一步的，所述开关管M8的栅极、所述开关管M3的漏极与所述开关管M1的漏极之间还分别通过一个开关管接入信号pron_hn，所述信号pron_hn是信号pron_h的反相信号，所述信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号。
进一步的，所述误差放大器模块包括开关管M0、开关管M1、开关管M2、开关管M3以及开关管M4，所述开关管M1的栅极通过一个电阻连接在开关管M5的漏极、开关管M8的源极之间，所述开关管M1的源极、开关管M2的源极分别连接开关管M0的漏极，开关管M1的漏极连接开关管M3的漏极，开关管M3的栅极与开关管M4的栅极连接，开关管M4的源极与开关管M2的漏极连接，开关管M2的栅极接入输入电压vinp，开关管M4的栅极和漏极之间通过一个开关管接入信号pron_h，所述信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号，开关管M3的栅极与源极之间通过一个开关管接入信号pron_hn，所述信号pron_hn是信号pron_h的反相信号。
进一步的，所述快环路模块中开关管M13的漏极连接一个开关管M12，所述开关管M12的栅极分别接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias、开关管M9的栅极，开关管M13的栅极连接开关管M10的栅极，开关管M10的栅极与漏极连接，开关管M10的源极连接开关管M11。
进一步的，还包括第一偏置产生电路，以用于产生第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias提供给电流源的电压偏置，所述第一偏置产生电路包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5、Mb7以及共源共栅电流镜，开关管Mb5的漏极连接一个开关管Mb6，所述开关管Mb0和Mb1导通作为开关管Mb2的负载，所述开关管Mb2和Mb3构成一对电流源，通过由开关管Mb4、Mb5和Mb6自偏置产生偏置电压Vb，开关管Mb7作为一个电流源以为所述共源共栅电流镜提供电流，产生所述第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias。
进一步的，所述共源共栅电流镜包括开关管Mb9、Mb10、Mb11、Mb12，开关管Mb9的源极连接开关管Mb11的漏极，开关管Mb10的源极与开关管Mb12的漏极连接，开关管Mb11的栅极与所述开关管Mb12的栅极连接，开关管Mb9的栅极与开关管Mb10的栅极连接。
进一步的，还包括第二偏置产生电路，以用于产生第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias提供给数字模块，所述第二偏置产生电路包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2，使用电阻分压为开关管Mb0提供栅压并同时作为所述第二偏置电压vnbias，开关管Mb0的漏极与开关管Mb1的漏极连接，开关管Mb0的源极连接开关管Mb3，开关管Mb1的栅极与漏极连接，开关管Mb1的源极与开关管Mb2的漏极连接，开关管Mb2的栅极与漏极连接，通过开关管Mb2产生所述第一偏置电压vpbias。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，通过由误差放大器模块、慢环路模块和快环路模块构成，由误差放大器模块根据输入电压的值，配合慢环路模块生成控制电压，控制快环路模块产生LDO输出，实现电压调节功能，结合FVF结构以及双环路结构，不仅能够使得稳压器的稳定性好、电路面积小，而且还可以使得稳压器的瞬态响应快、电源抑制比高。
附图说明
图1是本实施例翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器的结构示意图。
图2是传统FVT结构以及本实施例中翻转电压跟随器结构的具体结构示意图。
图3是本实施例中Vreg1p2的第一偏置产生电路的具体结构示意图。
图4是本实施例中Vreg_phdet和Vreg_ckout的第二偏置产生电路的具体结构示意图。
图例说明：1、慢环路模块；2、误差放大器模块；3、快环路模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器包括依次连接的慢环路模块1(slow loop)、误差放大器模块2(EA)以及快环路模块3(fast loop)，慢环路模块1包括两级源极跟随器，所述误差放大器模块2分别接入输入电压vinp、以及所述慢环路模块1的输出电压vinn，生成控制电压vset提供给快环路模块3，以控制快环路模块3产生LDO输出vp_out，快环路模块3采用FVF结构，即为FVF翻转电压跟随器。通过采用上述结构，由误差放大器模块2根据输入电压vinp的值，配合慢环路模块生成控制电压vset，控制快环路模块3产生LDO输出，实现电压调节功能，结合FVF结构以及双环路结构，不仅能够使得稳压器的稳定性好、电路面积小，而且还可以使得稳压器的瞬态响应快、电源抑制比高。
如图1所示，其中vpbias和vnbias是分别由偏置产生电路产生的第一偏置电压、第二偏置电压，信号pron_hn是信号pron_h的反相信号，信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号，且信号pron_h为高电平时LDO正常工作。控制电压vset会受到LDO输出vp_out的影响会发生变化，当输出电压vp_out降低时，vset随之降低；又由于vinn是源极跟随器的输出，它的值会跟随vset的变化而变化，因此vset的降低会导致vinn降低，vinn降低之后会反过来调节输出，使得输出电压vp_out增大，而vset受到误差放大器模块2输出的调节，随着误差放大器模块2输出的增大，vset也会增大；vset增大后会使得LDO的输出增大，进而调节了LDO的输出，实现电压调节功能。快环路模块3基于FVF结构结构本身也具有调节功能，当LDO输出降低，会导致PASS管的栅极电压降低，从而增大输出路径的电流，使得输出电压抬升，可以起到输出电压的调节功能。
本实施例中快环路模块3具体包括开关管M13、开关管M15以及开关管Mp，开关管M15的栅极接入控制电压vset，开关管M15的源极通过一电阻R分别连接开关管Mp的漏极、LDO输出vp_out的输出端，开关管M15的漏极、开关管M13的源极分别连接第一电流源，开关管M13的漏极连接第二电流源以构成共栅极放大器，开关管M13的栅极接入偏置电压Vb，开关管Mp的栅极与电源之间设置有串联连接的电阻Rz以及电容Cc。快环路模块中开关管M13的漏极连接一个开关管M12，开关管M12的栅极分别接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias、开关管M9的栅极，开关管M13的栅极连接开关管M10的栅极，开关管M10的栅极与漏极连接，开关管M10的源极连接开关管M11。
如图2中(a)所示，传统FVF结构中M15管的电流源连接在了漏端，与正常情况下连接在源端的结构不同，M1构成一个源极跟随器输出Vout，该类结构输出阻抗很低，可以用于拓展环路带宽，起到快速瞬态的作用。本实施例在图2中(a)的FVF结构基础上，增设一个利用电流源和M3构成的共栅极放大器和一个分压电阻，此外还在反馈支路增加了一个NMOS管和一个电流源，以使得在反馈时会有一定比例的电流流过，形成图2中(b)所示FVF结构。如图2中(b)所示，共栅极放大器相当于一个电压缓冲器，可以减小负载跳变时引起的overshoot(过冲)和undershoot(下冲)，在功率管Mp的栅极和电源之间串联一个电容和电阻可以引入一个左半面零点以用于频率补偿。通过采用上述FVT结构，由于输出处的电容电阻很小，主极点位于功率管栅极处，通过将主极点放在LDO内部能有效提高输出电压的精度，从而使得能够提高环路响应的同时保证输出电压的高精度。
本实施例中，慢环路模块1(slow loop)包括开关管M5、开关管M6、开关管M7以及开关管M8，开关管M5的栅极接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias，源极连接开关管M6的漏极，开关管M5的漏极连接开关管M8的源极，开关管M6的栅极接入信号vgate，源极分别与开关管M7的漏极、开关管M8的栅极连接，开关管M7的栅极连接偏置产生电路产生的第二偏置电压vnbias，开关管M7的源极、开关管M8的漏极接地，开关管M6的源极与开关管M7的漏极之间还连接开关管M8的栅极。上述开关管M8的栅极、开关管M3的漏极与开关管M1的漏极之间还分别通过一个开关管接入信号pron_hn，信号pron_hn是信号pron_h的反相信号信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号。通过上述结构可以基于两级源跟随器形成慢环路，以配合误差放大器1生成控制电压vset。
本实施例中，误差放大器模块2(EA)具体包括开关管M0、开关管M1、开关管M2、开关管M3以及开关管M4，开关管M1的栅极通过一个电阻连接在开关管M5的漏极、开关管M8的源极之间，开关管M1的源极、开关管M2的源极分别连接开关管M0的漏极，开关管M1的漏极连接开关管M3的漏极，开关管M3的栅极与开关管M4的栅极连接，开关管M4的源极与开关管M2的漏极连接，开关管M2的栅极接入输入电压vinp，开关管M4的栅极和漏极之间通过一个开关管接入信号pron_h信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号，开关管M3的栅极与源极之间通过一个开关管接入信号pron_hn，信号pron_hn是信号pron_h的反相信号，开关管M4的栅极和漏极相当于短路。
由于源同步系统不同模块对LDO的要求有所不同，因此本实施例以PLL为实例，分别为电荷泵、振荡器和其他数字模块供电设计不同的偏置电路。其中，Vreg_cp主要为电荷泵供电，Vreg_phdet和Vreg_ckout主要为数字模块供电，Vreg_ckout则是消耗更多的静态电流快速开启锁相环锁定模式的偏置电路。
如图3所示，本实施例还包括第一偏置产生电路，即为Vreg_cp的偏置产生电路，用于产生第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias以用作电路中电流源的电压偏置。正常工作时图中的pron_h和ret_h是高电平，pron_hn和ret_hn是低电平。第一偏置产生电路具体包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5、Mb7以及共源共栅电流镜，开关管Mb5的漏极连接一个开关管Mb6，开关管Mb0和Mb1导通作为开关管Mb2的负载，开关管Mb2和Mb3构成一对电流源，通过由开关管Mb4、Mb5和Mb6自偏置产生偏置电压Vb，开关管Mb7作为一个电流源以为共源共栅电流镜提供电流，产生第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias。上述共源共栅电流镜包括开关管Mb9、Mb10、Mb11、Mb12，开关管Mb9的源极连接开关管Mb11的漏极，开关管Mb10的源极与开关管Mb12的漏极连接，开关管Mb11的栅极与开关管Mb12的栅极连接，开关管Mb9的栅极与开关管Mb10的栅极连接。
如图4所示，本实施例还包括第二偏置产生电路，即为Vreg_phdet和Vreg_ckout的偏置产生电路，用于产生第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias提供给数字模块。第二偏置产生电路具体包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2，使用电阻分压为开关管Mb0提供栅压并同时作为第二偏置电压vnbias，开关管Mb0的漏极与开关管Mb1的漏极连接，开关管Mb0的源极连接开关管Mb3，开关管Mb1的栅极与漏极连接，开关管Mb1的源极与开关管Mb2的漏极连接，开关管Mb2的栅极与漏极连接，通过开关管Mb2产生第一偏置电压vpbias。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：包括依次连接的慢环路模块(1)误差放大器模块(2)以及快环路模块(3)，所述慢环路模块(1)包括两级源极跟随器，所述误差放大器模块(2)分别接入输入电压vinp、以及所述慢环路模块(1)的输出电压vinn，生成控制电压vset提供给所述快环路模块(3)，以控制所述快环路模块(3)产生LDO输出vp_out，所述快环路模块(3)采用FVF结构。
2.根据权利要求1所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述快环路模块(3)包括开关管M13、开关管M15以及开关管Mp，所述开关管M15的栅极接入所述控制电压vset，所述开关管M15的源极通过一电阻R分别连接所述开关管Mp的漏极、LDO输出vp_out的输出端，所述开关管M15的漏极、开关管M13的源极分别连接第一电流源，所述开关管M13的漏极连接第二电流源以构成共栅极放大器，所述开关管M13的栅极接入偏置电压Vb，所述开关管Mp的栅极与电源之间设置有串联连接的电阻Rz以及电容Cc。
3.根据权利要求1所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述慢环路模块(1)包括开关管M5、开关管M6、开关管M7以及开关管M8，所述开关管M5的栅极接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias，源极连接所述开关管M6的漏极，所述开关管M5的漏极连接开关管M8的源极，所述开关管M6的栅极接入信号vgate，源极分别与开关管M7的漏极、开关管M8的栅极连接，所述开关管M7的栅极连接偏置产生电路产生的第二偏置电压vnbias，所述开关管M7的源极、开关管M8的漏极接地，所述开关管M6的源极与所述开关管M7的漏极之间还连接所述开关管M8的栅极。
4.根据权利要求3所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述开关管M8的栅极、开关管M3的漏极与开关管M1的漏极之间还分别通过一个开关管接入信号pron_hn，所述信号pron_hn是信号pron_h的反相信号，所述信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号。
5.根据权利要求3所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述误差放大器模块(2)包括开关管M0、开关管M1、开关管M2、开关管M3以及开关管M4，所述开关管M1的栅极通过一个电阻连接在开关管M5的漏极、开关管M8的源极之间，所述开关管M1的源极、开关管M2的源极分别连接开关管M0的漏极，开关管M1的漏极连接开关管M3的漏极，开关管M3的栅极与开关管M4的栅极连接，开关管M4的源极与开关管M2的漏极连接，开关管M2的栅极接入输入电压vinp，开关管M4的栅极和漏极之间通过一个开关管接入信号pron_h，所述信号pron_h是下电信号经过门电路产生的信号，开关管M3的栅极与源极之间通过一个开关管接入信号pron_hn，所述信号pron_hn是信号pron_h的反相信号。
6.根据权利要求5所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述快环路模块(3)中开关管M13的漏极连接一个开关管M12，所述开关管M12的栅极分别接入偏置产生电路产生的第一偏置电压vpbias、开关管M9的栅极，开关管M13的栅极连接开关管M10的栅极，开关管M10的栅极与漏极连接，开关管M10的源极连接开关管M11。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：还包括第一偏置产生电路，以用于产生第一偏置电压vpbias、第二偏置电压vnbias提供给电流源的电压偏置，所述第一偏置产生电路包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2、Mb3、Mb4、Mb5、Mb7以及共源共栅电流镜，开关管Mb5的漏极连接一个开关管Mb6，所述开关管Mb0和Mb1导通作为开关管Mb2的负载，所述开关管Mb2和Mb3构成一对电流源，通过由开关管Mb4、Mb5和Mb6自偏置产生偏置电压Vb，开关管Mb7作为一个电流源以为所述共源共栅电流镜提供电流，产生所述第一偏置电压vpbias、第二偏置电压vnbias。
8.根据权利要求7所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：所述共源共栅电流镜包括开关管Mb9、Mb10、Mb11、Mb12，开关管Mb9的源极连接开关管Mb11的漏极，开关管Mb10的源极与开关管Mb12的漏极连接，开关管Mb11的栅极与所述开关管Mb12的栅极连接，开关管Mb9的栅极与开关管Mb10的栅极连接。
9.根据权利要求1～6中任意一项所述的翻转电压跟随器结构的双环路低压差线性稳压器，其特征在于：还包括第二偏置产生电路，以用于产生和第一偏置电压vpbias和第二偏置电压vnbias提供给数字模块，所述第二偏置产生电路包括依次连接的开关管Mb0、Mb1、Mb2，使用电阻分压为开关管Mb0提供栅压并同时作为所述第二偏置电压vnbias，开关管Mb0的漏极与开关管Mb1的漏极连接，开关管Mb0的源极连接开关管Mb3，开关管Mb1的栅极与漏极连接，开关管Mb1的源极与开关管Mb2的漏极连接，开关管Mb2的栅极与漏极连接，通过开关管Mb2产生第一偏置电压vpbias。
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