CN114967811A - 一种提高psr性能的无片外电容ldo - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种提高PSR性能的无片外电容LDO。本发明在LDO电路中增加了电源纹波前馈电路，在LDO主体电路的基础上加上了一颗额外的前馈电容，其大小等于密勒补偿电容，前馈电容与误差放大器的有源负载共同组成了电源纹波前馈电路，利用电源纹波前馈电路，阻断传统无片外电容LDO中由于功率管栅源电源噪声电压不一致导致的电源纹波通过功率管泄漏到输出的路劲，从而提升LDO的中高频的PSR性能。

Description

一种提高PSR性能的无片外电容LDO
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种提高PSR性能的无片外电容LDO。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator-LDO)由于其低成本、低噪声、结构简单、低功耗等特点，相较于开关稳压器成为另一类重要的电源管理芯片。无片外大电容LDO(Capless-LDO)不需要在输出放置片外负载电容，使得芯片尺寸和PCB面积消耗进一步减小，十分适合于全片上集成的设计。图1展示了无片外电容LDO的典型结构，负载电容主要由片上寄生效应造成，其典型值小于100pF。电路通常采用密勒补偿进行极点分离，保证不同负载下环路的稳定性。
对于Capless-LDO而言，较小的负载电容难以滤除来自电源的噪声(Vr)，LDO中高频的电源抑制特性(PSR)将会下降，从而影响后级精密模拟电路正常工作。研究表明，中高频时，基于密勒补偿的LDO的电源噪声泄露到输出的主要路径为：功率管栅源电容与米勒补偿电容加上功率管栅漏电容进行分压，因此功率管栅压VG≠电源噪声Vr，相当于此时功率管的栅源电压不相等，因此将会有较大的噪声电流(Inoise)通过功率管泄露到输出。Inoise可表示为
Figure BDA0003687566000000011
上式中Cgs,MP为功率管寄生栅源电容，Cgd,MP为功率管寄生栅漏电容，C1为密勒补偿电容，gmP为功率管的小信号跨导。目前，LDO的PSR性能提升已经成为研究的热点。
发明内容
针对上述Capless-LDO的电源抑制问题，本发明提出了一种结构简易而有效的提高PSR性能的无片外电容LDO。
本发明的技术方案为：
一种提高PSR性能的无片外电容LDO，其特征在于，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电流源；其中，第一PMOS管的源极接电源，其栅极接第二PMOS管的栅极、第一电容的一端、第二电容的一端、第四PMOS管的漏极和第四NMOS管的漏极，第一PMOS管的漏极接第二电容的另一端、第一电阻的一端和第四电容的一端；第二PMOS管的源极接电源，其漏极接第一NMOS管的漏极和栅极；第三PMOS管的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第三电容的一端和第三NMOS管的漏极；第四PMOS管的源极接电源，其栅极接第三PMOS管的漏极；第一电容的另一端接电源，第三电容的另一端接地；第一NMOS管的栅极和漏极互连，其源极接地；第二NMOS管的漏极接第四NMOS管的源极、第三NMOS管的源极和电流源的输入端，第二NMOS管的源极接地；第三NMOS管的栅极接反馈电压；第四NMOS管的栅极接基准电压；电流源的输出端接地；第一电阻的另一端和第二电阻的一端相连并输出反馈电压；第四电容的另一端接地；第一PMOS管漏极与第二电容、第一电阻、第四电容的连接点为LDO的输出端；
第三PMOS管、第四PMOS管、第三电容构成电源纹波前馈结构，第三电容为前馈电容，第三电容的大小与第二电容相等，电源纹波前馈结构用于提高LDO的中高频PSR性能。
本发明增益效果：利用电源纹波前馈电路，阻断传统无片外电容LDO中由于功率管栅源电源噪声电压不一致导致的电源纹波通过功率管泄漏到输出的路劲，从而提升LDO的中高频的PSR性能。
附图说明
图1为无片外电容LDO的电源噪声主要泄露路径示意图。
图2为本发明提出附带PSR提升结构的无片外电容LDO的电路原理图。
图3为本发明提出PSR提升技术的工作原理示意图。
图4为本发明提出LDO的PSR性能仿真波形图。
图5为本发明提出LDO的瞬态性能仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图2为本发明提出附带PSR提升结构的无片外电容LDO的晶体管原理图，VDD为电源电压，Vr为电源上的等效纹波；VG为功率管的栅电压；VSS为地电压；VREF为基准电压，IB1为放大器的偏置电流，两者均可由带隙基准电路产生；VO为LDO输出电压，VFB为输出电压VO的分压，用于与VREF相比较。电路结构包括LDO主体电路，以及用于提升PSR性能的电源纹波前馈电路。
LDO的主体电路如下，第一PMOS管MP1为功率管，第二PMOS管MP2为电流镜像管，其尺寸远远小于第一PMOS管MP1，用于镜像功率管的部分电流，用于在重载时提高误差放大器的偏置电流，从而提升LDO的带宽与瞬态性能；第一NMOS管MN1与第二NMOS管MN2组成电流镜，将第二PMOS管MP2镜像的电流转化为误差放大器的偏置电流；第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4组成五管误差放大器，第一电容C1是功率管的寄生栅源电容(Cgs,MP)，并不是外加的电容；第二电容C2为外加的密勒补偿电容，用于零极点分离，保持环路的稳定性，值得注意的是，在本设计中由于功率管尺寸较小(最大负载电流为10mA)，功率管的寄生栅漏电容(Cgd,MP)较小于密勒补偿电容C2，因此将其忽略；第四电容C4为模拟的负载电容；第一电阻R1与第二电阻R2构成了输出电压VO的分压结构产生反馈电压VFB，误差放大器将VFB与VREF进行比较，调整功率管栅压，从而保持输出电压VO的稳定。
用于提升PSR性能的电源纹波前馈电路为本设计的核心技术，其在LDO主体电路的基础上加上了一颗额外的前馈电容C3(第三电容)，其大小等于密勒补偿电容C2(第二电容)，C3与误差放大器的有源负载(第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4)共同组成了电源纹波前馈电路。
电源纹波前馈电路的工作机理如图3所示，中高频时忽略误差放大器的输出电阻(roEA)，由于第三PMOS管MP3的等效电阻～1/gmp3很小(gmp3第三PMOS管的小信号跨导)，因此中高频时流过第三电容C3的电流可表示为
Figure BDA0003687566000000031
这股电流被MP4镜像注射到VG(即Path2)，同时功率管的寄生栅源电容C1注射相VG注射的噪声电流为VrsC1，VG节点看到的负载电容为C1+C2，因此倘若C3＝C2，则此时VG的电源噪声电压为
Figure BDA0003687566000000032
其表明此时功率管栅源两端的电源噪声电压相同，即功率管栅源小信号电压为0，因此此时通过功率管泄露的噪声电流路径被切断，LDO的PSR性能得到提升。
图4展示了LDO的PSR性能仿真，可以看出在不同负载下，相较于没有使用电源纹波前馈技术的情况，LDO中高频的PSR性能有较大提升。图5展示了LDO的瞬态仿真波形图，可以看出，应用了电源纹波前馈技术之后，LDO的瞬态性能基本不变，说明电源纹波前馈电路对LDO环路基本不产生影响。

Claims (1)

1.一种提高PSR性能的无片外电容LDO，其特征在于，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电流源；其中，第一PMOS管的源极接电源，其栅极接第二PMOS管的栅极、第一电容的一端、第二电容的一端、第四PMOS管的漏极和第四NMOS管的漏极，第一PMOS管的漏极接第二电容的另一端、第一电阻的一端和第四电容的一端；第二PMOS管的源极接电源，其漏极接第一NMOS管的漏极和栅极；第三PMOS管的源极接电源，其栅极和漏极互连，其漏极接第三电容的一端和第三NMOS管的漏极；第四PMOS管的源极接电源，其栅极接第三PMOS管的漏极；第一电容的另一端接电源，第三电容的另一端接地；第一NMOS管的栅极和漏极互连，其源极接地；第二NMOS管的漏极接第四NMOS管的源极、第三NMOS管的源极和电流源的输入端，第二NMOS管的源极接地；第三NMOS管的栅极接反馈电压；第四NMOS管的栅极接基准电压；电流源的输出端接地；第一电阻的另一端和第二电阻的一端相连并输出反馈电压；第四电容的另一端接地；第一PMOS管漏极与第二电容、第一电阻、第四电容的连接点为LDO的输出端；
第三PMOS管、第四PMOS管、第三电容构成电源纹波前馈结构，第三电容为前馈电容，第三电容的大小与第二电容相等，电源纹波前馈结构用于提高LDO的中高频PSR性能。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116719382A (zh) * 2023-08-09 2023-09-08 成都通量科技有限公司 一种高psr的无片外电容ldo电路
CN117873258A (zh) * 2024-03-11 2024-04-12 华南理工大学 一种无片外电容式的ldo及其自适应衬底驱动电路

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140340058A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Texas Instruments Incorporated Nmos ldo psrr improvement using power supply noise cancellation
CN105045329A (zh) * 2015-07-07 2015-11-11 吉林大学 一种提高瞬态响应和电源抑制比的无片外电容ldo
CN105138064A (zh) * 2015-08-04 2015-12-09 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种高带宽高电源纹波抑制比的低压差线性稳压器电路
CN114253330A (zh) * 2021-12-02 2022-03-29 电子科技大学 一种快速瞬态响应的无片外电容低压差线性稳压器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140340058A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Texas Instruments Incorporated Nmos ldo psrr improvement using power supply noise cancellation
CN105045329A (zh) * 2015-07-07 2015-11-11 吉林大学 一种提高瞬态响应和电源抑制比的无片外电容ldo
CN105138064A (zh) * 2015-08-04 2015-12-09 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 一种高带宽高电源纹波抑制比的低压差线性稳压器电路
CN114253330A (zh) * 2021-12-02 2022-03-29 电子科技大学 一种快速瞬态响应的无片外电容低压差线性稳压器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIUYAN CHEN ET AL.: "High-PSR CMOS LDO with embedded ripple feedforward and energy-efficient bandwidth extension", 《2015 28TH IEEE INTERNATIONAL SYSTEM-ON-CHIP CONFERENCE (SOCC)》 *
鲁信秋等: "一种基于电源纹波前馈的高PSR的LDO", 《微电子学》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116719382A (zh) * 2023-08-09 2023-09-08 成都通量科技有限公司 一种高psr的无片外电容ldo电路
CN116719382B (zh) * 2023-08-09 2023-11-03 成都通量科技有限公司 一种高psr的无片外电容ldo电路
CN117873258A (zh) * 2024-03-11 2024-04-12 华南理工大学 一种无片外电容式的ldo及其自适应衬底驱动电路
CN117873258B (zh) * 2024-03-11 2024-05-10 华南理工大学 一种无片外电容式的ldo及其自适应衬底驱动电路

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