CN115421547A - 一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器 - Google Patents

一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明属于模拟集成电路领域，具体涉及一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器，包括：带隙基准、误差放大器、功率管Mp、补偿电容Cm、电阻反馈网络以及输出电容Co；误差放大器包括电流源IB1、8个MOS管M1～M8以及跨导增强电路；其中跨导增强电路包括放大器和两个MOS管M9～M10；M9的漏极连接M7的源极，栅极分别与M10的栅极、放大器的输出端连接，源极接地；M10的漏极分别连接M8的源极、放大器的第一输入端以及补偿电容Cm的正极，源极接地；放大器的第二输入端外接电压源；本发明通过跨导增强电路提高差分放大电路中的等效跨导，从而降低负载电流，增加时环路复数极点的Q值，提升环路稳定性。

Description

一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器
技术领域
本发明属于模拟集成电路中的电源管理芯片领域，具体涉及一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器。
背景技术
低压差线性稳压器(Low-Dropout Voltage Regulator，LDO)是一种输入电压大于输出电压的直流线性稳压器，它具有输入输出响应快，噪声低等优点，能够应用于DDR(Double Data Rate，双倍数据速率)、DDR2(Double Data Rate2，第二代双倍数据速率)等存储器的电源中，DDR、DDR2等存储器需要带负载能力强、输出精度高、瞬态性能好以及能够灌/拉大电流的电源进行供电。传统的低压差线性稳压器包括带隙基准、误差放大器、功率管MP、电阻反馈网络、补偿电容Cm和输出电容CO，各个电路或者是器件相互连接，如图1所示；在该低压差线性稳压器中，当输入电压或负载电流发生变化时，电阻反馈网络对输出电压进行采样，然后计算采样电压和带隙基准电压的误差信号，将误差信号通过误差放大器放大，并调节功率管的栅极电压，从而维持输出电压的稳定。但是当低压差线性稳压器的负载电流增加时，环路会生成复数极点，为了维持稳定性需要增加MOS管M8的跨导，因此M8需要消耗较大的静态电流，造成器件消耗的功率大的问题。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器，该器件包括带隙基准、误差放大器、功率管Mp、补偿电容Cm、电阻反馈网络以及输出电容Co；误差放大器包括电流源IB1、8个MOS管M1～M8以及跨导增强电路；MOS管M1的栅极连接带隙基准的基准电压输出端，漏极连接M4的漏极，源极分别与M2的源极和电流源IB1的输入端连接；电流源的输出端接地；M2的漏极接M3的漏极，栅极连接电阻反馈网络；M3和M4的源极均连接带隙基准的正极，M3的栅极与M4的栅极相连，并连接到M5的漏极，M3的漏极与M5的源极连接；M4的漏极与M6的源极连接；M5的栅极与M6的栅极连接，漏极连接M7的漏极；M6的漏极分别连接功率管Mp的栅极和M8的漏极；M7的栅极与M8的栅极连接，且M7和M8的源极均与跨导增强电路的输入端连接；跨导增强电路的输出端接地；功率管Mp的源极连接带隙基准的正极，漏极分别连接补偿电容Cm的负极、电阻反馈网络以及输出电容Co的正极；补偿电容Cm的正极连接跨导增强电路的输入端，电阻反馈网络的一端以及输出电容Co的负极接地；带隙基准的负极接地。
优选的，跨导增强电路包括放大器和两个MOS管M9～M10；其中M9的漏极连接M7的源极，栅极分别与M10的栅极、放大器的输出端连接，源极接地；M10的漏极分别连接M8的源极、放大器的第一输入端以及补偿电容Cm的正极，源极接地；放大器的第二输入端外接电压源。
优选的，电阻反馈网络包括电阻RF1和电阻RF2，电阻RF1和电阻RF2串联；其中电阻RF1和电阻RF2串联的串联端连接M2的栅极，电阻RF2的另一端接功率管Mp的漏极，电阻RF1的另一端接地。
本发明的有益效果：
本发明通过在差分放大电路中设计了一种跨导增强电路，通过跨导增强电路提高差分放大电路中的等效跨导，从而降低负载电流，增加时环路复数极点的Q值，提升环路稳定性。
附图说明
图1为一种低压差线性稳压器的电路结构图；
图2为本发明的一种跨导增强电路的结构图；
图3为本发明的一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器的电路结构图；
图4为本发明的另一种跨导增强电路结构图；
图5为本发明的带跨导增强电路的LDO的频率响应示意图；
图6为本发明的不带跨导增强电路的LDO的频率响应示意图。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
一种低压差线性稳压器的具体实施方式，如图1所示，该器件包括：带隙基准、误差放大器、功率管MP、电阻反馈网络、补偿电容Cm和输出电容CO；其中误差放大器由10个MOS管M1～M10组成，具体结构包括：MOS管M1的栅极连接带隙基准的基准电压输出端，漏极连接M4的漏极，源极分别与M2的源极和电流源IB1的输入端连接；电流源的输出端接地；M2的漏极接M3的漏极，栅极连接电阻反馈网络；M3和M4的源极均连接带隙基准的正极，M3的栅极与M4的栅极相连，并连接到M5的漏极，M3的漏极与M5的源极连接；M4的漏极与M6的源极连接；M5的栅极与M6的栅极连接，漏极连接M7的漏极；M6的漏极分别连接功率管Mp的栅极和M8的漏极；M7的栅极与M8的栅极连接，源极连接M9的漏极；M8的源极分别连接M10的漏极和补偿电容Cm的正极；M9的栅极与M10的栅极相连，源极接地；M10的源极接地；功率管Mp的源极连接带隙基准的正极，漏极分别连接补偿电容Cm的负极、电阻反馈网络以及输出电容Co的正极；补偿电容Cm的正极连接跨导增强电路的输入端，电阻反馈网络的一端以及输出电容Co的负极接地；带隙基准的负极接地。
在本实施例中，在输出电容的两端并联一个负载电阻RL，电阻RL用于模拟输出负载。
在本实施例中，将MOS管M10的源极作为差分放大器的等效跨点M。在该电路中，当输入电压或负载电流发生变化时，电阻反馈网络对输出电压进行采样，然后和带隙基准电压VREF，其误差信号通过误差放大器放大，然后控制调节功率管MP的栅极电压，从而维持输出电压的稳定，低压差线性稳压器的输出电压为：
Figure BDA0003875338790000041
其中，VOUT表示输出电压，RF1表示电阻反馈网络中第一电阻的阻值，RF2表示电阻反馈网络中第一电阻的阻值，VREF表示带隙基准的基准电压。
LDO为闭环负反馈系统，为了分析其环路稳定性，需要分析其输入输出小信号传输函数，当负载电流较大时，环路小信号传输函数可计算为：
Figure BDA0003875338790000042
其中，LG表示环路小信号传输函数，RF1表示电阻反馈网络中第一电阻的阻值，RF2表示电阻反馈网络中第一电阻的阻值，gm1表示为M1的跨导，gmp表示功率管的跨导，gm8表示M8的跨导，Ro1表示误差放大器的输出阻抗，Ro表示VOUT节点输出阻抗，s表示，Cm表示补偿电容的容值，C1表示误差放大器输出节点的寄生电容，CL表示输出电容的容值。
着负载电流的增加，功率管跨导gmp会逐渐增加，环路会产生一对复数极点，其值为：
Figure BDA0003875338790000043
复数极点的Q值为：
Figure BDA0003875338790000044
当负载电流增加时，功率管MP的跨导gmp增加，Q值会增加，系统趋于不稳定。为了提升环路稳定性，M8的跨导gm8需要设计较大的值，当过驱动电压一定时，M8的跨导gm8与电流成线性关系，如需将gm8提升N倍，需要将流过M8电流提升N倍，不利于实现低功耗。
一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器的具体实施方式，如图3所示，该电路结构包括带隙基准、误差放大器、功率管Mp、补偿电容Cm、电阻反馈网络以及输出电容Co；误差放大器包括电流源IB1、8个MOS管M1～M8以及跨导增强电路；MOS管M1的栅极连接带隙基准的基准电压输出端，漏极连接M4的漏极，源极分别与M2的源极和电流源IB1的输入端连接；电流源的输出端接地；M2的漏极接M3的漏极，栅极连接电阻反馈网络；M3和M4的源极均连接带隙基准的正极，M3的栅极与M4的栅极相连，并连接到M5的漏极，M3的漏极与M5的源极连接；M4的漏极与M6的源极连接；M5的栅极与M6的栅极连接，漏极连接M7的漏极；M6的漏极分别连接功率管Mp的栅极和M8的漏极；M7的栅极与M8的栅极连接，且M7和M8的源极均与跨导增强电路的输入端连接；跨导增强电路的输出端接地；功率管Mp的源极连接带隙基准的正极，漏极分别连接补偿电容Cm的负极、电阻反馈网络以及输出电容Co的正极；补偿电容Cm的正极连接跨导增强电路的输入端，电阻反馈网络的一端以及输出电容Co的负极接地；带隙基准的负极接地。
一种跨导增强电路的具体实施方式，如图2所示，包括放大器和两个MOS管M9～M10；其中M9的漏极连接M7的源极，栅极分别与M10的栅极、放大器的输出端连接，源极接地；M10的漏极分别连接M8的源极、放大器的第一输入端以及补偿电容Cm的正极，源极接地；放大器的第二输入端外接电压源。
在误差放大器中加入跨导增强电路后，可增加M点的等效跨导，具体可计算为：
gm,eq≈Agm10
随着负载电流的增加，功率管跨导gmp会逐渐增加，环路会产生一对复数极点，复数极点的Q值为：
Figure BDA0003875338790000051
根据上述表达式可知负载电流相同时，复数极点的Q值可降低gm8/Agm10倍，提升环路稳定性。在Q值相同时，该结构可设计更大的gmp，即可设计更大的输出电流范围。
跨导增强电路中放大器A的典型实施例包括但不限于简单的放大器，如图4所示，该跨导增强电路包括：电流源IBA和四个MOS管MA1～MA4；电流源IBA的输出端分别连接MOS管MA1和MOS管MA2的源极；MOS管MA1的栅极输入电压VP，漏极连接的MOS管MA3的栅极、MOS管MA3的漏极以及MOS管MA4的栅极；MOS管MA2的栅极输入电压VN，漏极连接MOS管MA4的漏极；MOS管MA3和MOS管MA4的栅极相连，且MOS管MA3和MOS管MA4的源极接地。
在本实施例中，电阻反馈网络包括电阻RF1和电阻RF2，电阻RF1和电阻RF2串联；其中电阻RF1和电阻RF2串联的串联端连接M2的栅极，电阻RF2的另一端接功率管Mp的漏极，电阻RF1的另一端接地。
通过标准CMOS工艺设计了一个LDO电路，带/不带跨导增强电路的LDO的频率响应分别如图5、图6所示，在图5和图6中，下面的曲线为“增益”曲线，单位为db；上面的曲线为相位曲线，其中相位曲线的单位为deg。仿真结果显示：带/不带跨导增强电路的LDO的增益裕度分别为9.6dB、18.3dB。增益裕度更大代表此时非主极点Q值越小。因此在误差放大器中加入跨导增强电路能有效降低环路非主极点的Q值，提升环路稳定性。
M点的等效跨导为gm8，加入跨导增强电路后，等效跨导可计算为：
Figure BDA0003875338790000061
由于流过M10的电流大于流过M8的电流，因此gm10＞gm8，式(5)显示，由于引入了跨导增强电路，M点的等效跨导扩大了Agm10/gm8倍，其中A为放大器的直流增益。负载电流相同时，复数极点的Q值可降低gm8/Agm10倍，提升环路稳定性。在Q值相同时，该结构可设计更大的gmp，即可设计更大的输出电流范围。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器，其特征在于，包括带隙基准、误差放大器、功率管Mp、补偿电容Cm、电阻反馈网络以及输出电容Co；误差放大器包括电流源IB1、8个MOS管M1～M8以及跨导增强电路；MOS管M1的栅极连接带隙基准的基准电压输出端，漏极连接M4的漏极，源极分别与M2的源极和电流源IB1的输入端连接；电流源的输出端接地；M2的漏极接M3的漏极，栅极连接电阻反馈网络；M3和M4的源极均连接带隙基准的正极，M3的栅极与M4的栅极相连，并连接到M5的漏极，M3的漏极与M5的源极连接；M4的漏极与M6的源极连接；M5的栅极与M6的栅极连接，漏极连接M7的漏极；M6的漏极分别连接功率管Mp的栅极和M8的漏极；M7的栅极与M8的栅极连接，且M7和M8的源极均与跨导增强电路的输入端连接；跨导增强电路的输出端接地；功率管Mp的源极连接带隙基准的正极，漏极分别连接补偿电容Cm的负极、电阻反馈网络以及输出电容Co的正极；补偿电容Cm的正极连接跨导增强电路的输入端，电阻反馈网络的一端以及输出电容Co的负极接地；带隙基准的负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器，其特征在于，跨导增强电路包括放大器和两个MOS管M9～M10；其中M9的漏极连接M7的源极，栅极分别与M10的栅极、放大器的输出端连接，源极接地；M10的漏极分别连接M8的源极、放大器的第一输入端以及补偿电容Cm的正极，源极接地；放大器的第二输入端外接电压源。
3.根据权利要求1所述的一种具有跨导增强电路的低压差线性稳压器，其特征在于，电阻反馈网络包括电阻RF1和电阻RF2，电阻RF1和电阻RF2串联；其中电阻RF1和电阻RF2串联的串联端连接M2的栅极，电阻RF2的另一端接功率管Mp的漏极，电阻RF1的另一端接地。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005347949A (ja) * 2004-06-01 2005-12-15 Sony Corp 差動増幅回路
US20070057660A1 (en) * 2005-09-13 2007-03-15 Chung-Wei Lin Low-dropout voltage regulator
CN101853040A (zh) * 2010-07-05 2010-10-06 复旦大学 一种带前馈跨导的高电源抑制比低压差线性稳压器
CN104679088A (zh) * 2013-12-03 2015-06-03 深圳市国微电子有限公司 一种低压差线性稳压器及其频率补偿电路
CN106774614A (zh) * 2016-12-05 2017-05-31 电子科技大学 一种运用超级跨导结构的低压差线性稳压器
CN113064464A (zh) * 2021-03-31 2021-07-02 电子科技大学 一种高精度快速瞬态响应的低压差线性稳压器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005347949A (ja) * 2004-06-01 2005-12-15 Sony Corp 差動増幅回路
US20070057660A1 (en) * 2005-09-13 2007-03-15 Chung-Wei Lin Low-dropout voltage regulator
CN101853040A (zh) * 2010-07-05 2010-10-06 复旦大学 一种带前馈跨导的高电源抑制比低压差线性稳压器
CN104679088A (zh) * 2013-12-03 2015-06-03 深圳市国微电子有限公司 一种低压差线性稳压器及其频率补偿电路
CN106774614A (zh) * 2016-12-05 2017-05-31 电子科技大学 一种运用超级跨导结构的低压差线性稳压器
CN113064464A (zh) * 2021-03-31 2021-07-02 电子科技大学 一种高精度快速瞬态响应的低压差线性稳压器

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