CN115202431B - 一种低压差线性稳压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及稳压器技术领域，特别地涉及一种低压差线性稳压器，通过将第一电流镜和第二电流镜的参考电流端耦合，第一电流镜的比例电流端和第二电流镜的比例电流端分别连接于输出模块，输出模块的输出端耦合至第一电流镜和第二电流镜的参考电流端，使得输出端的输出电压反馈至第一电流镜和第二电流镜，从而利用输出电压的变化调整第一电流镜和第二电流镜的工作状态，进而完成对输出电压的负反馈，解决了低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题，提升了低压差线性稳压器的稳定性。

Description

一种低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及稳压器技术领域，特别地涉及一种低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器LDO有低噪声、低功耗、线路成本低等优点。集成电路中需要一个稳定的工作电源，LDO的稳定性决定了集成电路的性能优劣。
传统的低压差线性稳压器上电复位时是利用二极管进行上电复位，利用二极管在大信号下电流和电压的非线性特征获得复位所需要的信号，输出的复位信号高电平特征不显著，存在稳定性较差的技术问题。
因此，本领域亟需一种方案解决低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题。
发明内容
本发明提供一种低压差线性稳压器，解决了低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种低压差线性稳压器，包括：第一电流镜、第二电流镜和输出模块，其中，
第一电流镜和第二电流镜的参考电流端耦合，第一电流镜的比例电流端和第二电流镜的比例电流端分别连接于输出模块，输出模块的输出端耦合至第一电流镜和第二电流镜的参考电流端。
在一些实施例中，输出模块包括：第一MOS管、第二MOS管、输出MOS管，其中，
第一MOS管的第一极连接于输出MOS管的第二极，第一MOS管的第二极连接于第二电流镜的比例电流端；
第二MOS管的第一极连接于第二电流镜的比例电流端，第二MOS管的第二极连接于第一MOS管的第二极与第一电流镜的比例电流端之间；
输出MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，以接入输入电压，输出MOS管的栅极连接于第二MOS管的第二极。
在一些实施例中，输出MOS管的第二极作为输出模块的输出端，连接低压差线性稳压器的输出端。
在一些实施例中，第一MOS管的栅极连接于第一MOS管的基准电源，第二MOS管的栅极连接于第二MOS管的基准电源。
在一些实施例中，第一电流镜，包括：第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管；其中，
第四MOS管的第一极和第五MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，第四MOS管的栅极、第二极和第五MOS管的栅极连接，第五MOS管的第二极为第一电流镜的比例电流端，第三MOS管的第一极连接于地，第三MOS管的第二极连接于第四MOS管的第二极，第三MOS管的栅极为第一电流镜的参考电流端而耦合于第二电流镜。
在一些实施例中，第一电流镜，还包括：第一电容；
第一电容的一端连接于第三MOS管的栅极，第一电容的另一端连接于低压差线性稳压器的输出端并耦合于第二电流镜。
在一些实施例中，第一电流镜，还包括：第一电阻；
第一电阻的一端连接于第三MOS管的栅极，第一电阻的另一端连接于第一电流镜的基准电源。
在一些实施例中，第二电流镜，包括：第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管；其中，
第七MOS管的第一极和第八MOS管的第一极连接于地电位，
第七MOS管的栅极、第二极和第八MOS管的栅极连接，第八MOS管的第二极为第二电流镜的比例电流端，
第六MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，第六MOS管的第二极连接于第七MOS管的第二极，第六MOS管的栅极作为第二电流镜的参考电流端而耦合于第一电流镜。
在一些实施例中，第二电流镜，还包括：第二电容；
第二电容的一端连接于第六MOS管的栅极，第二电容的另一端连接于低压差线性稳压器的输出端并耦合于第一电流镜。
在一些实施例中，第二电流镜，还包括：第二电阻；
第二电阻的一端连接于第六MOS管的栅极，第二电阻的另一端连接于第二电流镜的基准电源。
本发明提供的一种低压差线性稳压器，通过将第一电流镜和第二电流镜的参考电流端耦合，第一电流镜的比例电流端和第二电流镜的比例电流端分别连接于输出模块，输出模块的输出端耦合至第一电流镜和第二电流镜的参考电流端，使得输出端的输出电压反馈至第一电流镜和第二电流镜，从而利用输出电压的变化调整第一电流镜和第二电流镜的工作状态，进而完成对输出电压的负反馈，解决了低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题，提升了低压差线性稳压器的稳定性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述：
图1为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的示意图；
图2为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的输出模块的示意图；
图3为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的第一电流镜的示意图；
图4为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的第二电流镜的示意图；
图5为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的示意图；
图6为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的电路示意图；
图7为本发明实施例的低压差线性稳压器的一种仿真示意图；
图8为本发明实施例的低压差线性稳压器的另一仿真示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
低压差线性稳压器LDO有低噪声、低功耗、线路成本低等优点。集成电路中需要一个稳定的工作电源，LDO的稳定性决定了集成电路的性能优劣。
传统的低压差线性稳压器在上电复位时是利用二极管进行上电复位，利用二极管在大信号下电流和电压的非线性特征获得复位所需要的信号，输出的复位信号高电平特征不显著，存在稳定性较差的技术问题。
因此，本领域亟需一种方案解决低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题，提高LDO的稳定性。
实施例一
图1示出了一种低压差线性稳压器的示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种低压差线性稳压器，包括：第一电流镜、第二电流镜和输出模块，其中，
第一电流镜和第二电流镜的参考电流端耦合，第一电流镜的比例电流端和第二电流镜的比例电流端分别连接于输出模块，输出模块的输出端耦合至第一电流镜和第二电流镜的参考电流端。
在本实施例中，电流镜包括参考电流端与比例电流端，参考电流端是指电流镜中产生参考电流的一端，比例电流端是指电流镜中产生比例电流的一端。
本实施例提供的低压差线性稳压器，通过将第一电流镜和第二电流镜的参考电流端耦合，第一电流镜的比例电流端和第二电流镜的比例电流端分别连接于输出模块，输出模块的输出端耦合至第一电流镜和第二电流镜的参考电流端，使得输出端的输出电压反馈至第一电流镜和第二电流镜，从而利用输出电压的变化调整第一电流镜和第二电流镜的工作状态，进而完成对输出电压的负反馈，解决了低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题，提升了低压差线性稳压器的稳定性。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例提供一种低压差线性稳压器，其中，输出模块包括：第一MOS管、第二MOS管、输出MOS管，其中，
第一MOS管的第一极连接于输出MOS管的第二极，第一MOS管的第二极连接于第二电流镜的比例电流端；
第二MOS管的第一极连接于第二电流镜的比例电流端，第二MOS管的第二极连接于第一MOS管的第二极与第一电流镜的比例电流端之间；
输出MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，以接入输入电压，输出MOS管的栅极连接于第二MOS管的第二极。
在一些实施方式中，输出MOS管的第二极作为输出模块的输出端，连接低压差线性稳压器的输出端。
在一些实施方式中，第一MOS管的栅极连接于第一MOS管的基准电源，第二MOS管的栅极连接于第二MOS管的基准电源。
图2示出了一种低压差线性稳压器的输出模块的示意图。如图2所示，在本实施例中，第一MOS管例如是MC1，第二MOS管例如是MC2，输出MOS管例如是MP。在本实施例中，各个MOS管的第一极为源极，各个MOS管的第二极为漏极。可以理解的是，另一些情况下，也可以使MOS管的第一极为漏极，同时使各个MOS管的第二极为源极。
本实施例提供的低压差线性稳压器，通过第一MOS管、第二MOS管、输出MOS管组成输出模块，且第二电流镜的比例电流恒定，因此，当输出电压变低时，流经第一MOS管的电流变小，使得流经第二MOS管的电流变大，导致第二MOS管的第一极和第二极之间的电压变大，使第二MOS管的第二极的电位上升，使输出MOS管的电流变大，输出MOS管的第二极的电位上升，使得输出MOS管的栅极电位变大，输出MOS管的栅极与第一极之间的电压减小，输出MOS管的第一极和第二极之间的电压减小，从而完成对输出电压的负反馈，解决了低压差线性稳压器的稳定性较差的技术问题，提升了低压差线性稳压器的稳定性。即，本实施例通过输出模块的负反馈和电容对电流镜的调整作用，达到快速响应输出电流的技术效果，增强了输出电压的稳定性。
实施例三
在上述实施例的基础上，本实施例提供一种低压差线性稳压器，其中，第一电流镜，包括：第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管；其中，
第四MOS管的第一极和第五MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，第四MOS管的栅极、第二极和第五MOS管的栅极连接，第五MOS管的第二极为第一电流镜的比例电流端，第三MOS管的第一极连接于地，第三MOS管的第二极连接于第四MOS管的第二极，第三MOS管的栅极为第一电流镜的参考电流端而耦合于第二电流镜。
在一些实施方式中，第一电流镜，还包括：第一电容；
第一电容的一端连接于第三MOS管的栅极，第一电容的另一端连接于低压差线性稳压器的输出端并耦合于第二电流镜。
在一些实施方式中，第一电流镜，还包括：第一电阻；
第一电阻的一端连接于第三MOS管的栅极，第一电阻的另一端连接于第一电流镜的基准电源。
图3示出了一种低压差线性稳压器的第一电流镜的示意图。如图3所示，在本实施例中，第三MOS管例如是MUP1，第四MOS管例如是MUP2，第五MOS管例如是MUP3。在本实施例中，各个MOS管的第一极为源极，各个MOS管的第二极为漏极。可以理解的是，也可以使MOS管的第一极为漏极，同时使各个MOS管的第二极为源极。在本实施例中，参考电流端是第三MOS管所在的一端，比例电流端是第五MOS管所在的一端。
本实施例提供的低压差线性稳压器，通过第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管以及第一电阻和第一电容组成第一电流镜，能够为低压差线性稳压器的负反馈提供基础，提升了低压差线性稳压器的稳定性。
实施例四
在上述实施例的基础上，本实施例提供一种低压差线性稳压器，其中，第二电流镜，包括：第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管；其中，
第七MOS管的第一极和第八MOS管的第一极连接于地电位，
第七MOS管的栅极、第二极和第八MOS管的栅极连接，第八MOS管的第二极为第二电流镜的比例电流端，
第六MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，第六MOS管的第二极连接于第七MOS管的第二极，第六MOS管的栅极作为第二电流镜的参考电流端而耦合于第一电流镜。
在一些实施方式中，第二电流镜，还包括：第二电容；
第二电容的一端连接于第六MOS管的栅极，第二电容的另一端连接于低压差线性稳压器的输出端并耦合于第一电流镜。
在一些实施方式中，第二电流镜，还包括：第二电阻；
第二电阻的一端连接于第六MOS管的栅极，第二电阻的另一端连接于第二电流镜的基准电源。
图4示出了一种低压差线性稳压器的第二电流镜的示意图。如图4所示，在本实施例中，第六MOS管例如是MDN1，第七MOS管例如是MDN2，第八MOS管例如是MDN3。在本实施例中，各个MOS管的第一极为源极，各个MOS管的第二极为漏极。可以理解的是，也可以使MOS管的第一极为漏极，同时使各个MOS管的第二极为源极。
本实施例提供的低压差线性稳压器，通过第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管以及第二电阻和第二电容组成第一电流镜，能够为低压差线性稳压器的负反馈提供基础，提升了低压差线性稳压器的稳定性。
实施例五
在上述实施例的基础上，本实施例提供一种低压差线性稳压器的应用实例，并对低压差线性稳压器的负反馈原理及效果进行说明。
图5示出了一种低压差线性稳压器LDO的示意图，图6示出了一种低压差线性稳压器的电路示意图，图7和图8示出了一种低压差线性稳压器的仿真示意图。
如图5所示，当输入电压Vin在2.4～3.3V时，LDO电路可以稳定地输出电压1.5V。为保证输出端能够输出足够的电流，功率类型的输出管MP为输出提供电流。
图中MC1、MC2、MP三个MOS管构成的输出模块包含第一负反馈回路，当输出电压Vo被负载拉低时，通过第一负反馈回路使功率管MP的栅极电压发生变化,从而将输出电压Vo修正到额定输出电压(即1.5V)，详见后述工作过程。
同时，输出电压Vo连接到电流镜的VBIAS端，通过电容产生瞬时电压使电流镜部分的栅极电压发生变化，与输出电压Vo成负反馈关系，详见后述工作过程。整个电路依靠负反馈调节来达到输出电压Vo稳定地输出的效果，当输入电压Vin在预设的输入范围内时，本发明的LDO电路能够输出稳定的电压。
与其他LDO相对比，传统的LDO上电复位时是利用二极管进行上电复位，利用二极管在大信号下电流和电压的非线性特征获得复位所需要的信号，输出的复位信号高电平特征不显著。而本方案响应负载电流的速度更快，稳定性更好。本发明利用两种负反馈回路来实现快速响应输出电压Vo的变化，实现LDO稳定输出电压的功能，与其他LDO电路对比，具有响应速度快，输出电压稳定的有益效果。
在本应用实例中，本发明的工作过程如下：
1)图5中MC2、MC1和MP管组成的输出模块包含了LDO的第一个反馈系统，MDN1和MDN2与MDN3组成第二电流镜，在MDN3支路产生第二基准电流。同理，MUP2和MUP1与MUP3和MC2组成第一电流镜，在MUP3和MC2管所在支路产生第一基准电流。图中VBIAS和VSET均由带隙基准电压提供。
2)电路的静态工作点电压VBIAS由带隙基准电路提供，由MUP1、MUP2、MUP3组成的第一电流镜的静态工作点电压VBIAS,UP和由MDN1、MDN2、MDN3组成的第二电流镜的静态工作点电压VBIAS,DN也由带隙基准电压提供。如图6所示，产生输出电压Vo的方法与使用电流镜产生基准电流的方法类似，如图6所示，Pm3对应图5中的MC1，图6右侧结构为放大器，通过对Vout1输入端设置合适的基准电压，通过放大器的负反馈作用，在Pm9和Pm11管的连接处产生与Vout相等的电压，再通过对称结构使输出电压与Vout1、Pm9和Pm11管的连接处的电压相等。
3)当输入电压VIN处于2.4V～3.3V时，LDO电路开始工作，当负载稳定时，输出电压Vo稳定为1.5V。当输出端的负载电流发生跳变时，由于流经MDN3的电流不变，因此若输出电压Vo变低，流过MC1的电流变小，从而使MC2流过的电流变大，MC2的Vds增大，从而使MC2的漏端电位上升，使MP的栅极电位增大，MP的Vgs减少，MP的Vds变小，使输出电压Vo的电位回升到设定的值。当输出电压Vo输出变高时，负反馈系统也按上述反馈路径完成相反方向的负反馈。
4)同时，输出电压Vo会反馈到MUP1和MDN1两个电流镜结构的栅极，并且之间连接电容使其更好地反馈电压值。当输出电压Vo下降时，输出电压Vo反馈到如图3的CUP和CDN之间，根据电容的电压不会突变这一固有属性，MUP1和MDN1的栅极电位会变低，MDN1的栅极电位变低，电流镜电流增大，MC1和MDN3的Vds增大，输出电压Vo增大。MUP1的栅极电压减少，电流镜电流减少，MUP3的Vds减少，输出电压Vo增大，从而形成一个负反馈回路。当输出电压Vo增加时，负反馈系统也按上述反馈路径完成相反方向的负反馈。
可见，本发明设计了一种高稳定性的LDO，当输入电压在2.4～3.3V时，LDO能够稳定输出1.5V电压，并且负载电流发生跳变时，LDO的输出电压的振荡幅度小于30mV，实现电压的稳定输出。其仿真数据如图7和图8所示。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
需要说明的是，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括：第一电流镜、第二电流镜和输出模块，其中，
所述第一电流镜和所述第二电流镜的参考电流端耦合，所述第一电流镜的比例电流端和所述第二电流镜的比例电流端分别连接于所述输出模块，所述输出模块的输出端耦合至所述第一电流镜和所述第二电流镜的参考电流端；
其中，所述第一电流镜，包括：第三MOS管、第四MOS管和第五MOS管；其中，
所述第四MOS管的第一极和第五MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，所述第四MOS管的栅极、第二极和第五MOS管的栅极连接，所述第五MOS管的第二极为第一电流镜的比例电流端，所述第三MOS管的第一极连接于地，所述第三MOS管的第二极连接于所述第四MOS管的第二极，所述第三MOS管的栅极为第一电流镜的参考电流端而耦合于所述第二电流镜；
其中，所述第二电流镜，包括：第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管；其中，
所述第七MOS管的第一极和第八MOS管的第一极连接于地电位，
所述第七MOS管的栅极、第二极和第八MOS管的栅极连接，所述第八MOS管的第二极为第二电流镜的比例电流端，
所述第六MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，所述第六MOS管的第二极连接于所述第七MOS管的第二极，所述第六MOS管的栅极作为第二电流镜的参考电流端而耦合于所述第一电流镜；
其中，所述输出模块包括：第一MOS管、第二MOS管、输出MOS管，其中，
所述第一MOS管的第一极连接于所述输出MOS管的第二极，所述第一MOS管的第二极连接于所述第二电流镜的比例电流端，所述第一MOS管的栅极连接于所述第一MOS管的基准电源；
所述第二MOS管的第一极连接于第二电流镜的比例电流端，所述第二MOS管的第二极连接于所述第一MOS管的第二极与所述第一电流镜的比例电流端之间，所述第二MOS管的栅极连接于所述第二MOS管的基准电源；
所述输出MOS管的第一极连接于低压差线性稳压器的输入端，以接入输入电压，所述输出MOS管的栅极连接于所述第二MOS管的第二极。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出MOS管的第二极作为所述输出模块的输出端，连接低压差线性稳压器的输出端。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流镜，还包括：第一电容；
所述第一电容的一端连接于所述第三MOS管的栅极，所述第一电容的另一端连接于所述低压差线性稳压器的输出端并耦合于所述第二电流镜。
4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一电流镜，还包括：第一电阻；
所述第一电阻的一端连接于所述第三MOS管的栅极，所述第一电阻的另一端连接于第一电流镜的基准电源。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电流镜，还包括：第二电容；
所述第二电容的一端连接于所述第六MOS管的栅极，所述第二电容的另一端连接于所述低压差线性稳压器的输出端并耦合于所述第一电流镜。
6.根据权利要求5所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二电流镜，还包括：第二电阻；
所述第二电阻的一端连接于所述第六MOS管的栅极，所述第二电阻的另一端连接于第二电流镜的基准电源。
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