CN115903984A - 一种自适应型超级源跟随电路及ldo稳压芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应型超级源跟随电路及LDO稳压芯片,自适应型超级源跟随电路包括第一级动态偏置电路和第二级动态偏置电路,第一级动态偏置电路包括电流源I1、电流源I2、MOS管M1、MOS管M2和MOS管M5,MOS管M5的源极和电流源I1的一端均与电源线VIN连接,第二级动态偏置电路、MOS管M5的栅极、MOS管M5的漏极、电流源I1的另一端和MOS管M2的漏极均与MOS管M1的源极连接,电流源I2的一端和MOS管M2的栅极均与MOS管M1的漏极连接。在本发明中,通过第一级动态偏置电路和第二级动态偏置电路实现了多级动态偏置,具备双路动态偏置功能,可大大降低电压缓冲器的静态电流,使LDO能够将低静态功耗与快速瞬态响应相结合,对于低功耗物联网应用有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,尤其涉及一种自适应型超级源跟随电路及LDO稳压芯片。
背景技术
低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)是一种常用的电源管理电路,它的主要作用是将直流电源电压降到一个稳定的直流电压,从而为负载供电。如图1所示,传统LDO稳压器由一个误差放大器、功率管和电阻反馈网络组成。为了获得较大的环路增益,增益级的输出阻抗往往会比较大。而为了提高LDO的带载能力,则需要增大功率管的尺寸,带来较大的功率管栅极寄生电容。因此功率管栅极电容与增益级的高输出阻抗形成的极点频率较低,加上LDO稳压器的输出阻抗和片外电容构成的输出极点频率也往往比较低,两个较低的极点频率容易带来环路稳定性问题。即便在结果频率补偿实现环路稳定后,也会严重削弱LDO的环路带宽,从而减弱了LDO的负载瞬态响应能力。为了避免高阻抗节点与功率管栅极较大的寄生电容直接相连,即降低与功率管栅极相连的阻抗,常常采用电压缓冲器(Buffer)进行极点分割。如图9所示,通常将电压缓冲器放置在增益级的输出端和功率管的栅极之间。由于电压缓冲器具有输入电容小,输出阻抗低的特点,原来功率管栅极和误差放大器输出端共同形成的是一个低频极点,加入电压缓冲器(Buffer)后,被拆分成了两个相对高频的极点(分别是buffer输入电容与误差放大器输出阻抗形成的一个高频极点,buffer输出阻抗与功率管栅极电容形成的另一个高频极点),起到了极点分隔的作用,可以增强环路的稳定性,并实现更宽的环路带宽,从而提升瞬态响应性能。
结构最简单的电压缓冲器为源极跟随器(Source Follower,SF)即一个共漏组态的晶体管,如图2所示,输入信号施加到栅极,输出信号从源端取出,它的输出阻抗约等于1/gma,其大小高度依赖于偏置电流。为了实现低输出阻抗,通常需要较大的偏置电流。为了在不增加大的功率预算的情况下有效降低输出阻抗,提出了超级源极跟随器(Super SourceFollower,SSF),如图3所示,SSF的原理是在SF电路上增加Mb晶体管,Ma和Mb构成电压负反馈结构,因此可以降低输出阻抗,其值大约为1/(gmagmbroa)。SSF的改进版本是增强型超级源极跟随器(ESSF),如图4所示,ESSF是通过增加额外的增益级来增强环路增益,因此输出阻抗可以进一步降低。然而,ESSF在轻负载条件下无法有效降低输出阻抗,并且由于引入了额外的增益级,其环路特性又对电路参数敏感,稳定性有时难以保证。因为LDO稳压芯片的输出电流往往会在比较宽的范围内变化,所以在大负载电流下输出极点的频率较高。为了满足大负载电流下的环路稳定性,功率晶体管栅极处的内部节点需要呈现更低阻抗。为此,缓冲器需要用足够的电流来偏置,这使得很难实现低功耗。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种自适应型超级源跟随电路,其能解决传统缓冲器难以同时实现低静态功耗与快速瞬态响应的问题。
本发明的目的之二在于提供一种LDO稳压芯片,其能解决现有的LDO稳压器芯片无法同时实现低静态功耗与快速瞬态响应的问题。
为了达到上述目的之一,本发明所采用的技术方案如下:
一种自适应型超级源跟随电路,包括第一级动态偏置电路和第二级动态偏置电路,所述第一级动态偏置电路包括电流源I1、电流源I2、MOS管M1、MOS管M2和MOS管M5,所述MOS管M5的源极和电流源I1的一端均与电源线VIN连接,所述第二级动态偏置电路、MOS管M5的栅极、MOS管M5的漏极、电流源I1的另一端和MOS管M2的漏极均与MOS管M1的源极连接,所述电流源I2的一端和MOS管M2的栅极均与MOS管M1的漏极连接,所述电流源I2的另一端和MOS管M2的源极均接地。
优选的,所述第二级动态偏置电路包括MOS管M6、MOS管M9、NMOS电流镜单元和PMOS电流镜单元,所述MOS管M6的栅极与MOS管M5的栅极连接,MOS管M6的漏极与MOS管M9的源极连接,所述MOS管M9的漏极与NMOS电流镜单元连接,所述PMOS电流镜单元与MOS管M1的源极连接。
优选的,所述PMOS电流镜单元包括MOS管M7和MOS管M8,所述MOS管M7的源极和MOS管M8的源极与电源线VIN连接,所述MOS管M8的栅极和MOS管M8的漏极均与MOS管M7的栅极连接,所述MOS管M8的漏极与NMOS电流镜单元连接连接,所述MOS管M7的漏极与MOS管M1的源极连接。
优选的,所述NMOS电流镜单元包括MOS管M3和MOS管M4,所述MOS管M3的漏极和MOS管M3的栅极均与MOS管M4的栅极连接,所述MOS管M4的漏极与MOS管M8的漏极连接,所述MOS管M9的漏极与MOS管M3的漏极连接,所述MOS管M3的源极和MOS管M4的源极均接地。
优选的,所述电流源I1和电流源I2均为由电流镜构成的电流源。
为了达到上述目的之二,本发明所采用的技术方案如下:
一种LDO稳压芯片,包括放大器EA、MOS管MP、MOS管MC、电容CL、电阻RL、电流源IBias和如权利要求1-5任意一项所述的自适应型超级源跟随电路,所述MOS管MP的漏极、MOS管MC的源极、电容CL的一端和电阻RL的一端均与放大器EA的反向输入端连接,所述放大器EA的输出端与MOS管MC的栅极连接,所述MOS管MC的漏极和电流源IBias的一端均与自适应型超级源跟随电路的输入端连接,所述自适应型超级源跟随电路的输出端与MOS管MP的栅极连接,所述MOS管MP的源极与电源线VIN连接,所述电流源IBias的另一端、电容CL的另一端和电阻RL的另一端均接地。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:自适应型超级源跟随电路具有双路动态偏置功能,能够实现多级动态偏置,可大大降低电压缓冲器的静态电流,并进一步降低了电压跟随器的输出阻抗,使LDO稳压器芯片能够将低静态功耗与快速瞬态响应相结合,应用于低功耗物联网设备中时,可使物联网设备从待机状态切换到活动状态的瞬态响应可以更快。
附图说明
图1为传统LDO稳压器的电路图。
图2为源极跟随器(SF)的电路图。
图3为超级源极跟随器(SSF)的电路图。
图4为增强型超级源极跟随器(ESSF)的电路图。
图5为传统的具有二极管连接PMOS的超级源跟随器的电路图。
图6为本发明中所述的自适应型超级源跟随电路的电路图。
图7为MOS管M5漏极电流(ID,M5)和负载电流(IL)的关系仿真模拟图。
图8为本发明中所述的LDO稳压芯片和基于传统SSF的LDO稳压芯片在1mA~100μA负载跳变下瞬态响应的仿真比较示意图。
图9为本发明中所述的LDO稳压芯片的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述:
在本发明中,所述自适应型超级源跟随电路(Adaptive Super Source Follower,ASSF)为一种可用于LDO稳压芯片的新型电压跟随器,该电路具有双路动态偏置功能,可大大降低电压缓冲器的静态电流,并进一步降低了电压跟随器的输出阻抗。用于LDO稳压芯片中可有效同时实现低静态功耗和快速瞬态响应。
实施例一:
如图1-9所示,一种自适应型超级源跟随电路,包括第一级动态偏置电路和第二级动态偏置电路,所述第一级动态偏置电路包括电流源I1、电流源I2、MOS管M1、MOS管M2和MOS管M5,所述MOS管M5的源极和电流源I1的一端均与电源线VIN连接,所述第二级动态偏置电路、MOS管M5的栅极、MOS管M5的漏极、电流源I1的另一端和MOS管M2的漏极均与MOS管M1的源极连接,所述电流源I2的一端和MOS管M2的栅极均与MOS管M1的漏极连接,所述电流源I2的另一端和MOS管M2的源极均接地。优选的,所述第二级动态偏置电路包括MOS管M6、MOS管M9、NMOS电流镜单元和PMOS电流镜单元,所述MOS管M6的栅极与MOS管M5的栅极连接,MOS管M6的漏极与MOS管M9的源极连接,所述MOS管M9的漏极与NMOS电流镜单元连接,所述PMOS电流镜单元与MOS管M1的源极连接。进一步的,所述PMOS电流镜单元包括MOS管M7和MOS管M8,所述MOS管M7的源极和MOS管M8的源极与电源线VIN连接,所述MOS管M8的栅极和MOS管M8的漏极均与MOS管M7的栅极连接,所述MOS管M8的漏极与NMOS电流镜单元连接,所述MOS管M7的漏极与MOS管M1的源极连接。优选的,所述NMOS电流镜单元包括MOS管M3和MOS管M4,所述MOS管M3的漏极和MOS管M3的栅极均与MOS管M4的栅极连接,所述MOS管M4的漏极与MOS管M8的漏极连接,所述MOS管M9的漏极与MOS管M3的漏极连接,所述MOS管M3的源极和MOS管M4的源极均接地。
在本实施例中,所述电流源I1-I2和MOS管M1-M9构成自适应型超级源跟随电路,其中,所述电流源I1和电流源I2均为由电流镜构成的电流源。MOS管M9为受VBP1控制的电压偏置电流源,MOS管M3-M9为MOS管M1-M2提供适应负载电流变化的电流。为实现源极跟随器小的输出阻抗,提高电路驱动能力,如图6所示,二极管连接的PMOS管M5放置在SSF结构(即第一级动态偏置电路)的输出端,以进一步衰减源跟随器的输出阻抗,同时为SSF结构提供动态偏置,并且在SSF结构中,由于轻载下LDO输出极点频率很低,电流源I1只需要提供SSF必要的偏置电流,通常约100nA便可以满足环路稳定性的要求,所以采用二极管连接的PMOS管M5的SSF结构可以平衡静态功率和输出阻抗,优选的,PMOS管M5的漏极电流(ID,M5)和负载电流(IL)之间的关系如图7所示,其中K是M5与MOS管MP的尺寸比,横坐标代表负载电流从0到12mA的变化,纵坐标代表MOS管M5漏极电流的变化。
进一步的,轻负载时,MOS管M5的VDS,M5小于MOS管MP的VDS,MP,导致轻负载条件下MOS管M5不能按比例镜像MOS管MP电流,使得电压跟随器的偏置电流较小,导致瞬态响应较差。如果以增大MOS管M5的尺寸的方式来提高轻载下的偏置电流,来满足轻负载条件下的调节时,则会导致MOS管M5在重载下提供很大的电流(MOS管M5的漏极电流和负载电流的线性关系),这在一定程度上降低了重载下的电流效率。正如图7所示,较大尺寸的MOS管M5将在重负载下提供更大的电流,而在轻负载下几乎不能调节负载电流,从而导致在轻载下LDO的瞬态特性较差。
优选的,由于轻负载二极管连接的PMOS从MP管感应过来的偏置电流较小,其瞬态特性较差,所以在本发明中,还设置有第二级动态偏置电路,所述第二级动态偏置电路由MOS管M3、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8和MOS管M9组成,在第二级动态偏置电路中,注入MOS管MP的栅极的额外电流是ID,M7,其中ID,M7是ID,M3的数倍。在LDO轻负载条件下,由于MOS管M6的栅极电压较高,所以ID,M3受到ID,M6的限制,并且MOS管M6的宽长比W/L与功率管MP的宽长比存在比例关系,故MOS管M6作为电流感应晶体管感应流过MOS管MP的电流,而MOS管M4按倍数复制流过MOS管M3的电流,再经由MOS管M7和MOS管M8组成PMOS电流镜,将电流按倍数复制经MOS管M7最终注入MOS管MP的栅极。优选的,MOS管M9为固定偏置,MOS管M6与MOS管M9进行电流比较,当负载电流增加到一定程度时(超过MOS管M9可以提供的电流时),流过这条支路的电流由MOS管M9决定,而MOS管M6进入线性区,此时,MOS管后M6不再有效追踪负载电流,ASSF进入重载下的动态偏置模式。
图8为将基于传统的SSF(具有二极管连接的PMOS管,如图5所示)的LDO稳压芯片(对应图8中的Trad.SSF with PMOS diode)和基于本发明ASSF的LDO稳压芯片(对应图8中的Proposed ASSF)进行了瞬态响应仿真对比,二者在重载下具有相同的电流效率,LDO稳压芯片的负载电流在1mA到100μA跳变(对应图8的横向坐标轴),可以清楚地看出,轻载下的LDO瞬态响应仍然较佳,响应时间和电压尖峰都可以有效地减少,仿真结果证明了本发明提出的电路结构的优越性。
实施例二:
如图1-9所示,一种LDO稳压芯片,包括放大器EA、MOS管MP、MOS管MC、电容CL、电阻RL、电流源IBias和如实施例一所述的自适应型超级源跟随电路,所述MOS管MP的漏极、MOS管MC的源极、电容CL的一端和电阻RL的一端均与放大器EA的反向输入端连接,所述放大器EA的输出端与MOS管MC的栅极连接,所述MOS管MC的漏极和电流源IBias的一端均与自适应型超级源跟随电路的输入端连接,所述自适应型超级源跟随电路的输出端与MOS管MP的栅极连接,所述MOS管MP的源极与电源线VIN连接,所述电流源IBias的另一端、电容CL的另一端和电阻RL的另一端均接地。在本实施例中,利用自适应型超级源跟随电路,实现了多级动态偏置,可大大降低电压缓冲器的静态电流,使LDO稳压芯片能够将低静态功耗与快速瞬态响应相结合,使得静态偏置电流可以很小,对于低功耗物联网应用非常有帮助,在物联网设备从待机状态切换到活动状态时,瞬态响应可以更快。
对本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及形变,而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自适应型超级源跟随电路,其特征在于:包括第一级动态偏置电路和第二级动态偏置电路,所述第一级动态偏置电路包括电流源I1、电流源I2、MOS管M1、MOS管M2和MOS管M5,所述MOS管M5的源极和电流源I1的一端均与电源线VIN连接,所述第二级动态偏置电路、MOS管M5的栅极、MOS管M5的漏极、电流源I1的另一端和MOS管M2的漏极均与MOS管M1的源极连接,所述电流源I2的一端和MOS管M2的栅极均与MOS管M1的漏极连接,所述电流源I2的另一端和MOS管M2的源极均接地。
2.如权利要求1所述的自适应型超级源跟随电路,其特征在于:所述第二级动态偏置电路包括MOS管M6、MOS管M9、NMOS电流镜单元和PMOS电流镜单元,所述MOS管M6的栅极与MOS管M5的栅极连接,MOS管M6的漏极与MOS管M9的源极连接,所述MOS管M9的漏极与NMOS电流镜单元连接,所述PMOS电流镜单元与MOS管M1的源极连接。
3.如权利要求2所述的自适应型超级源跟随电路,其特征在于:所述PMOS电流镜单元包括MOS管M7和MOS管M8,所述MOS管M7的源极和MOS管M8的源极与电源线VIN连接,所述MOS管M8的栅极和MOS管M8的漏极均与MOS管M7的栅极连接,所述MOS管M8的漏极与NMOS电流镜单元连接连接,所述MOS管M7的漏极与MOS管M1的源极连接。
4.如权利要求3所述的自适应型超级源跟随电路,其特征在于:所述NMOS电流镜单元包括MOS管M3和MOS管M4,所述MOS管M3的漏极和MOS管M3的栅极均与MOS管M4的栅极连接,所述MOS管M4的漏极与MOS管M8的漏极连接,所述MOS管M9的漏极与MOS管M3的漏极连接,所述MOS管M3的源极和MOS管M4的源极均接地。
5.如权利要求1所述的自适应型超级源跟随电路,其特征在于:所述电流源I1和电流源I2均为由电流镜构成的电流源。
6.一种LDO稳压芯片,其特征在于:包括放大器EA、MOS管MP、MOS管MC、电容CL、电阻RL、电流源IBias和如权利要求1-5任意一项所述的自适应型超级源跟随电路,所述MOS管MP的漏极、MOS管MC的源极、电容CL的一端和电阻RL的一端均与放大器EA的反向输入端连接,所述放大器EA的输出端与MOS管MC的栅极连接,所述MOS管MC的漏极和电流源IBias的一端均与自适应型超级源跟随电路的输入端连接,所述自适应型超级源跟随电路的输出端与MOS管MP的栅极连接,所述MOS管MP的源极与电源线VIN连接,所述电流源IBias的另一端、电容CL的另一端和电阻RL的另一端均接地。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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