CN115729301A

CN115729301A - 一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器

Info

Publication number: CN115729301A
Application number: CN202211548928.4A
Authority: CN
Inventors: 钟畅; 伍荣翔; 赖柏冲
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-12-05
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2023-03-03

Abstract

本发明属于模拟集成电路中的开关电源管理技术领域，具体提供一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，用以解决现有技术中存在的线性稳压器工作状态切换时信号波动较大的问题。本发明在第一级误差放大器与功率管之间引入新型结构的缓冲器与第二级误差放大器，缓冲器能够实现同相位信号传输，反馈信号通过缓冲器能够提高第二级误差放大器对功率管栅极电容的充放电速度；并且，位于两级误差放大器之间的缓冲器还能够降低第一级误差放大器的输出电容与第二级误差放大器的输入阻抗，把位于第二级误差放大器输入端的次极点移到更高频的位置，进而极大的增大LDO环路的增益带宽；最终，从速度和带宽两方面提升了线性稳压器的瞬态性能。

Description

一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器

技术领域

本发明属于模拟集成电路中的开关电源管理技术领域，具体提供一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器。

背景技术

近年来，随着消费类电子产品的不断发展，像智能手机、平板电脑等已经成为了人们不可或缺的工具；这些电子产品需要一个稳定的工作电源，如手机需要一个具有低噪声和低纹波的电源，用低压差线性稳压器(LDO)供电是一个很好的选择。如图1所示为一种传统无片外电容线性稳压器(LDO)，包括：基准模块、误差放大器模块、功率管(M_P)、电压负反馈支路(电阻R_f1、R_f2)、频率补偿模块(C_m)；其中，功率管M_P与电阻R_f1、R_f2依次串联，在电阻R_f1与R_f2之间产生反馈电压信号输入至误差放大器的正输入端，误差放大器的单端输出连接到功率管M_P的栅极，构成闭合环路；频率补偿模块通常用于调节环路的稳定性，功率管M_P的作用是在负载电流或者输入电压发生变化时可以通过调整自身的输出电流来维持稳定的输出电压，当负载电流或者输入电压发生变化时，输出电压经过电阻R_f1与电阻R_f2的分压，将反馈电压信号传递到误差放大器的正输入端，经过误差放大器进行放大后传递到功率管M_P的栅极，使功率管M_P的输出电流产生相反变化，从而稳定输出电压。

对于上述传统无片外电容线性稳压器(LDO)，当负载发生变化时，由于无大的负载电容CL调整负载电流，LDO的输出端会产生比较大的过冲电压，过冲电压通过负反馈系统恢复到正常电压的过程为瞬态响应过程，而长时间较大的过冲电压会使MOS管出现击穿,从而影响芯片性能，因此需要增强LDO的瞬态响应过程。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的LDO工作状态切换时信号波动较大的问题，提供一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器。本发明通过在第一级误差放大器与功率管之间引入新型结构的缓冲器与第二级误差放大器，能够增加本结构环路增益带宽以及提高第二级误差放大器对功率管栅极电容的充放电速度，最终从带宽和速度两方面提升了线性稳压器(LDO)的瞬态性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其特征在于，包括：基准模块、第一级误差放大器、缓冲器、第二级误差放大器、功率管、反馈支路与频率补偿模块构成；其中，基准模块输出基准电压Vref至第一级误差放大器的负输入端，第一级误差放大器的输出依次经过缓冲器与第二级误差放大器后输入至功率管的栅极，反馈支路连接于功率管的漏极与第一级误差放大器的正输入端之间，频率补偿模块连接于功率管的栅极与第一级误差放大器中第二电流镜的共栅端之间。

进一步的，所述缓冲器由PMOS管M₁₆、PMOS管M₁₇、PMOS管M₁₈、电阻R_C与电容C_C组成，所述第二级误差放大器由PMOS管M₁₉与NMOS管M₂₀组成；PMOS管M₁₆的栅极连接第一级误差放大器的输出，PMOS管M₁₇的栅极与漏极短接并与PMOS管M₁₆的漏极、NMOS管M₁₈的漏极连接，PMOS管M₁₆与PMOS管M₁₇的源极接电源VDD，PMOS管M₁₈的栅极接偏置电压，PMOS管M₁₈的源极接地；电容Cc跨接于NMOS管M₁₇的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，电阻R_C跨接于NMOS管M₁₈的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，PMOS管M₁₉的源极接电源VDD，NMOS管M₂₀的源极接地，PMOS管M₁₉的漏极与NMOS管M₂₀的漏极短接并输出至功率管的栅极。

进一步的，所述频率补偿模块由电容C_M与电阻R_M串联组成。

进一步的，所述反馈支路由电阻R_f1与电阻R_f2组成，电阻R_f1一端接功率管的漏极、另一端接电阻R_f2到地，电阻R_f1与电阻R_f2之间产生反馈电压信号输入至第一级误差放大器的正输入端。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明提出一种低压差输出的瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器(LDO)，在第一级误差放大器与功率管之间引入新型结构的缓冲器与第二级误差放大器，新型结构的缓冲器能够实现同相位信号传输，经第一级误差放大器放大的反馈信号通过缓冲器(包括RC高通滤波器：电阻R_C与电容C_C)能够提高第二级误差放大器对功率管栅极电容的充放电速度；并且，位于两级误差放大器之间的缓冲器还能够降低第一级误差放大器的输出电容与第二级误差放大器的输入阻抗，把位于第二级误差放大器输入端的次极点移到更高频的位置，进而极大的增大LDO环路的增益带宽；最终，从速度和带宽两方面提升了线性稳压器(LDO)的瞬态性能。

附图说明

图1为传统传统线性稳压器(LDO)的结构示意图。

图2为本发明中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器(LDO)的结构示意图。

图3为本发明中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器(LDO)的电路原理示意图。

图4为本发明中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的输出从轻载切换到重载时各节点的电压变化示意图。

图5为本发明中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的输出从重载切换到轻载时各节点的电压变化示意图。

图6为本发明实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的输出电压随负载切换的瞬态响应曲线。

图7为本发明实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的输出电压随负载切换的变化对比的瞬态响应曲线。

图8为本发明实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器在不同负载下的幅频特性曲线。

图9为本发明实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器在不同负载下的相频特性曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其结构如图2所示，具体电路如图3所示；主要包括：基准模块、第一级误差放大器、缓冲器、第二级误差放大器、功率管、反馈支路与频率补偿模块构成；其中，基准模块输出基准电压Vref至第一级误差放大器的负输入端，第一级误差放大器的输出依次经过缓冲器与第二级误差放大器后输入至功率管的栅极，反馈支路连接于功率管的漏极与第一级误差放大器的正输入端之间，频率补偿模块连接于功率管的栅极与第一级误差放大器中第二有源电流镜的共栅端之间。

进一步的，所述功率管采用PMOS管M_P，PMOS管M_P的源极接电源VDD。

进一步的，所述第一级误差放大器由MOS管M₁～M₁₅组成；PMOS管M₁为尾电流源，其源极接电源VDD，栅极接偏置电压VB1，漏极与PMOS管M₂、PMOS管M₃、PMOS管M₄、PMOS管M₅的源极连接；PMOS管M₂、PMOS管M₃作为误差放大器的负输入端，二者的栅极均与反馈支路连接；PMOS管M₄、PMOS管M₅的栅极作为误差放大器的正端，二者的栅极均接基准电压Vref；PMOS管M₂的漏极连接NMOS管M₈的漏极，NMOS管M₈的栅极与NMOS管M₉的栅极短接并与NMOS管M₆的漏极、NMOS管M₄的漏极连接，NMOS管M₆的栅极与NMOS管M₇的栅极短接并外加偏置电压VB2，NMOS管M₆的源极连接NMOS管M₉的漏极；NMOS管M₆、NMOS管M₈、NMOS管M₉组成第一有源电流镜，将PMOS管M4产生的电流信号复制到NMOS管M₈所在支路，NMOS管M₈的漏极与NMOS管M₁₄的源极连接；PMOS管M₅的漏极连接NMOS管M₁₁的漏级，NMOS管M₁₁的栅极与NMOS管M₁₀的栅极短接(共栅端)并与NMOS管M₇的漏极、PMOS管M₃的漏极连接，NMOS管M₇的源极连接NMOS管M₁₀的漏极；NMOS管M₇、NMOS管M₁₀、NMOS管M₁₁组成第二有源电流镜，将PMOS管M₃产生的电流信号复制到NMOS管M₁₁所在支路，NMOS管M₁₁的漏极与NMOS管M₁₅的源极连接；NMOS管M₁₄的栅极与NMOS管M₁₅的栅极短接，NMOS管M₁₄的漏极连接PMOS管M₁₂的栅极和漏极，NMOS管M₁₅的漏极连接PMOS管M₁₃的漏极，PMOS管M₁₂的栅极与PMOS管M₁₃的栅极短接，PMOS管M₁₂与PMOS管M₁₃的源极接电源VDD；PMOS管M₁₂与PMOS管M₁₃组成第三有源电流镜，使误差放大器由PMOS管M₁₃的漏极单端输出到PMOS管M₁₆的栅极，即缓冲器的输入端；NMOS管M₈、NMOS管M₉、NMOS管M₁₀、NMOS管M₁₁的源极均接地。需要说明的是：所述第一级误差放大器采用现有技术，用以实现误差放大功能。

进一步的，所述缓冲器由MOS管M₁₆～M₁₈以及电阻R_C、电容C_C组成，所述第二级误差放大器由PMOS管M₁₉与NMOS管M₂₀组成；PMOS管M₁₆的栅极连接第一级误差放大器的输出，PMOS管M₁₇的栅极与漏极短接并与PMOS管M₁₆的漏极、NMOS管M₁₈的漏极连接，PMOS管M₁₆与PMOS管M₁₇的源极接电源VDD，PMOS管M₁₈的栅极接偏置电压VB3，PMOS管M₁₈的源极接地；电容Cc跨接于NMOS管M₁₇的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，电阻R_C跨接于NMOS管M₁₈的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，PMOS管M₁₉的源极接电源VDD，NMOS管M₂₀的源极接地，PMOS管M₁₉的漏极与NMOS管M₂₀的漏极短接并输出至PMOS管M_P的栅极，即功率管的栅极。

进一步的，所述频率补偿模块由电容C_M与电阻R_M组成，电容C_M与电阻R_M串联后跨接于PMOS管M_P的栅极与第一级误差放大器中第二有源电流镜的共栅端(NMOS管M₁₁的栅极与NMOS管M₁₀的栅极)。

进一步的，所述反馈支路由电阻R_f1与电阻R_f2组成，电阻R_f1一端接PMOS管M_P的漏极、另一端接电阻R_f2到地，电阻R_f1与电阻R_f2之间产生反馈电压信号输入至第一级误差放大器的正输入端。

从工作原理上讲，上述瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的工作过程包括如下阶段：

如图4所示，当LDO的输出从轻载切换到重载时，输出电压将减小，导致下冲；该电压变化通过反馈网络传输到误差放大器的正输入端，然后被误差放大器放大，然后传输到PMOS管M₁₆的栅极，PMOS管M₁₆栅极电压降低，PMOS管M₁₆的源极电压升高；此时，NMOS管M₁₉的栅电压升高，流过NMOS管M₁₉的电流会瞬间减小；PMOS管M₁₆的源极通过电容Cc耦合NMOS管M₂₀的栅极，使得NMOS管M₂₀的栅电压升高，NMOS管M₂₀的电流瞬间增大，于是NMOS管M₂₀与NMOS管M₁₉的电流差值将对功率管栅极电容进行抽电流，可以有效地提高误差放大器第二级对功率管M_P栅电容的放电速度，及提高了信号的转换速率，即增强了瞬态响应；

如图5所示，当LDO的输出从重载切换到轻载时，输出电压将增大，导致过冲；该电压变化通过反馈网络传输到误差放大器的负输入端，然后被误差放大器放大，然后传输到PMOS管M₁₆的栅极，PMOS管M₁₆栅极电压升高，PMOS管M₁₆的源极电压降低。此时，NMOS管M₁₉的栅电压降低，流过NMOS管M₁₉的电流会瞬间增加；PMOS管M₁₆的源极通过电容Cc耦合NMOS管M₂₀的栅极，使得NMOS管M₂₀的栅电压降低，NMOS管M₂₀的电流瞬间减小，于是NMOS管M₁₉与NMOS管M₂₀电流差值将对功率管栅极电容进行充电，可以有效地提高第二级误差放大器对功率管M_P栅电容的充电速度，即增强了瞬态响应。

本实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器的输出电压随负载切换的变化图如图6、7所示，由图可见，当LDO的输出在1us内从轻载(I＝200uA)切换到重载(I＝10mA)时，输出端产生的下冲电压幅度为0.053V，瞬态响应时间为1.34us；而传统LDO结构产生的下冲电压幅度为0.22V，瞬态响应时间为1.91us；当LDO的输出在1us内从重载(I＝10mA)切换到轻载(I＝200uA)时，输出端产生的过冲电压幅度为0.051V，瞬态响应时间为0.50us；而传统LDO结构产生的下冲电压幅度为0.30V，瞬态响应时间为1.41us；由此可见，本发明相较于传统结构，具有良好的瞬态响应性能。

本实施例中瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器在不同负载下的幅频特性曲线如图8、9所示，由图可见，本发明在负载为10mA时，闭环增益为82.47dB，增益带宽为53.58MHz，相位裕度为45.8deg；本发明在负载为1mA时，闭环增益为85.92dB，增益带宽为10.44MHz，相位裕度为67.7deg；本发明在负载为200uA时，闭环增益为85.92dB，增益带宽为4.20MHz，相位裕度为45.2deg。

综上，本发明提供了一种带有快速瞬态响应能力的低压差线性稳压器(LDO)，实现了在输出负载跳变时的快速瞬态响应，满足更高精度的指标。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其特征在于，包括：基准模块、第一级误差放大器、缓冲器、第二级误差放大器、功率管、反馈支路与频率补偿模块构成；其中，基准模块输出基准电压Vref至第一级误差放大器的负输入端，第一级误差放大器的输出依次经过缓冲器与第二级误差放大器后输入至功率管的栅极，反馈支路连接于功率管的漏极与第一级误差放大器的正输入端之间，频率补偿模块连接于功率管的栅极与第一级误差放大器中第二电流镜的共栅端之间。

2.按权利要求1所述瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其特征在于，所述缓冲器由PMOS管M₁₆、PMOS管M₁₇、PMOS管M₁₈、电阻R_C与电容C_C组成，所述第二级误差放大器由PMOS管M₁₉与NMOS管M₂₀组成；PMOS管M₁₆的栅极连接第一级误差放大器的输出，PMOS管M₁₇的栅极与漏极短接并与PMOS管M₁₆的漏极、NMOS管M₁₈的漏极连接，PMOS管M₁₆与PMOS管M₁₇的源极接电源VDD，PMOS管M₁₈的栅极接偏置电压，PMOS管M₁₈的源极接地；电容Cc跨接于NMOS管M₁₇的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，电阻R_C跨接于NMOS管M₁₈的栅极与NMOS管M₂₀的栅极之间，PMOS管M₁₉的源极接电源VDD，NMOS管M₂₀的源极接地，PMOS管M₁₉的漏极与NMOS管M₂₀的漏极短接并输出至功率管的栅极。

3.按权利要求1所述瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其特征在于，所述频率补偿模块由电容C_M与电阻R_M串联组成。

4.按权利要求1所述瞬态响应增强的无片外电容线性稳压器，其特征在于，所述反馈支路由电阻R_f1与电阻R_f2组成，电阻R_f1一端接功率管的漏极、另一端接电阻R_f2到地，电阻R_f1与电阻R_f2之间产生反馈电压信号输入至第一级误差放大器的正输入端。