CN116107373A - 一种用于ldo的极点-极点跟踪频率补偿电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于LDO的极点‑极点跟踪频率补偿电路，属于半导体集成电路领域。包括电流采样单元电路、缓冲级单元电路、反馈单元电路、环路补偿单元电路，电流镜电路。将输出极点POUT作为LDO的主极点，将功率管输入极点Pe作为次主极点，通过在传统LDO结构中误差放大器和功率管之间插入本发明电路作为缓冲级，利用电流采样电路采样输出电流，使得功率管输入极点Pe与负载电流相关联，在负载电流变化范围内跟随输出极点沿同一方向移动，形成极点‑极点跟踪效果，以此达到维持反馈回路稳定的目的，同时加入反馈电路用于控制两极点之间的位置关系使得功率管输入极点Pe始终在单位增益带宽以外，自此解决了功率管输入极点和输出极点的主次关系以及两者之间的位置关系，实现LDO在大负载电流下的稳定。广泛应用于大负载电流LDO领域。

Description

一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路
技术领域
本发明属于半导体集成电路领域，进一步来说涉及低压差电源集成电路领域，具体来说，涉及一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路。
背景技术
LDO(即低压差线性稳压器)作为电源管理模块中的重要组成部分，被广泛应用于数据采集、电池供电、低功耗以及工业控制等各种系统中，为其提供着稳定可靠的电源环境，其输出电压是否稳定且不被电源及负载突变干扰，直接决定了系统整体的性能。
LDO本质上是一个稳定的负反馈系统，保证LDO环路反馈稳定是电路设计中最基本的要求，随着系统设备的不断发展，要求LDO的输出电流越来越大，这就使得在工作时负载电流将会在大范围内移动，输出极点POUT也会在很大频率范围内移动，这将会大大提高频率补偿的难度，处理不当甚至会造成整个系统的不稳定，在LDO中存在两个会影响环路稳定性的低频极点，分别是误差放大器输出端即功率管输入极点Pe和输出极点POUT，一方面，由于负载电流越来越大要求功率管有更大的尺寸，而更大的寄生电容会将功率管输入极点Pe推至低频，难以进行补偿；另一方面输出端极点的位置则会随着负载电流的变化在很大频率范围内变化。如图1所示，传统LDO的结构框图由带隙基准、误差放大器、电阻分压网络、功率管构成，在该电路中至少会有两个低频极点会影响整个反馈环路的稳定性，一个输出极点POUT，一个功率管输入端极点Pe，如何处理这两个低频极点的主次关系和位置关系是保证LDO环路稳定的关键。特别在大电流场景下，负载电流将会在大范围内移动，输出极点POUT也会在很大频率范围内移动，频率补偿变得十分困难，甚至无法补偿，严重制约了LDO的输出电流。在以往的设计中，通过在误差放大器和功率管之间插入一级缓冲器将功率管输入极点推向高频，达到补偿效果，但随着负载电流的不断加大，这样的缓冲级显然不在适用。因此，受到频率补偿的制约，在传统结构的LDO中很难将负载电流做大。
因此如何处理好功率管输入极点和输出极点的主次关系以及两者之间的位置，并且在大负载电流范围内保证环路的稳定这一问题是LDO设计中的重点。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决LDO在大负载电流下，现有技术难以进行频率补偿以提高LDO稳定性的问题。
本发明的构思是：将输出极点POUT作为LDO的主极点，将功率管输入极点Pe作为次主极点，通过在传统LDO结构中误差放大器和功率管之间插入极点-极点跟踪频率补偿电路作为缓冲级。如图2所示，本发明电路在传统LDO结构中的插入位置，分别连接在误差放大器的输出端和功率管的输入端作为一缓冲级，起到功率管输入端极点Pe跟随输出极点POUT在负载电流变化范围内相同一方向移动的作用。与传统缓冲级不同的是，本发明所提出的缓冲级利用电流采样电路采样输出电流，使得功率管输入极点Pe与负载电流相关联，在负载电流变化范围内跟随输出极点沿同一方向移动，形成极点-极点跟踪效果，以此达到维持反馈回路稳定的目的，同时加入反馈电路用于控制两极点之间的位置关系使得功率管输入极点Pe始终在单位增益带宽以外，自此解决了功率管输入极点和输出极点的主次关系以及两者之间的位置关系。
为此，本发明提供一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，原理框图如图3-4所示。
包括：缓冲级单元电路、反馈单元电路、电流镜电路、电流采样单元电路、环路补偿单元电路。
所述缓冲级单元电路的输入端与前级误差放大器的输出端连接，输出端与后级功率放大器的输入端连接。所述缓冲级单元电路用于产生跟随负载电流变化的输出极点，实现功率管输入极点-输出极点跟踪频率补偿，连接到功率放大器输入端。
所述反馈单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的负载端连接。所述反馈单元电路包括电流放大器，用于补偿所述缓冲级单元电路电流，实现对所述缓冲级单元电路输出极点的调整。
所述电流镜电路的输出端与缓冲级单元电路的负载端连接。所述电流镜电路用于复制所述电流采样单元电路采样电流，为所述缓冲级单元电路提供可变负载。
电流采样单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的输出端、电流镜电路的恒流负载端连接。所述电流采样单元电路用于按比例采样LDO的功率放大器电流；
环路补偿单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的负载端连接。所述环路补偿单元电路用于对所述缓冲级单元电路与所述反馈单元电路所构成环路进行频率补偿。
所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路的补偿算法如下：
将输出极点POUT作为LDO的主极点，将功率管输入极点Pe作为次主极点，通过在传统LDO结构中误差放大器和功率管之间插入本发明电路作为缓冲级，利用电流采样电路采样输出电流，使得功率管输入极点Pe与负载电流相关联，在负载电流变化范围内跟随输出极点沿同一方向移动，形成极点-极点跟踪效果，以此达到维持反馈回路稳定的目的，同时加入反馈电路用于控制两极点之间的位置关系使得功率管输入极点Pe始终在单位增益带宽以外，自此解决了功率管输入极点和输出极点的主次关系以及两者之间的位置关系，实现LDO在大负载电流下的稳定。广泛应用于大负载电流LDO的频率补偿设计中，提高LDO频率稳定性，简化设计成本。
本发明的有益效果是：
1.结构简单：仅需要简单的电流镜，源跟随器和电流放大器即可实现，设计结构简单，易于实现，占用面积小。
2.提高稳定性：合理分配了功率管输入极点和输出极点的主次关系以及两者之间的位置关系，能在大电流范围内实现输出极点跟随功率管输入极点，即极点-极点跟踪，提高环路稳定性。
本发明所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，广泛应用于大负载电流LDO领域。
附图说明
图1为现有LDO结构示意图。
图2为本发明电路在现有LDO结构框图中的位置示意图。
图3为本发明电路原理框图示意图。
图4为本发明电路原理示意图。
图5为插入本发明电路后LDO主极点、次极点在空载和重载下的特性效果示意图。
图6为插入本发明电路后LDO增益曲线、相位曲线在空载和重载下的特性效果示意图。
具体实施方式
如图4-6所示，所述一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，具体实施方式如下：
包括同类型PNP晶体管Q1、Q2，同类型NPN晶体管Q3、Q4，PNP管Q5，电流源I1、I2，电流放大器A1，电阻R1，电容C1。
所述缓冲级单元电路包括PNP管Q5组成的源跟随器、电流可变的电流源负载I2。
所述反馈单元电路包括电流放大器A1。
所述电流镜电路包括两个同类型NPN晶体管Q3、Q4，电流源I1。
所述电流采样单元电路包括两个同类型PNP晶体管Q1、Q2。
所述环路补偿单元电路包括电阻R1、电容C1，串联组成带调零的弥勒补偿电路。
所述PNP晶体管Q5基极作为所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路的输入端，连接到传统LDO结构的误差放大器的输出端，PNP晶体管Q5发射极作为所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路的输出端，连接到传统LDO结构的功率晶体管Q6输入端；所述同类型PNP管Q1管基极和集电极短接并连接到功率晶体管Q6的基极，同类型PNP管Q1管基极连接到同类型PNP管Q2的基极；所述缓冲级单元电路PNP管Q5连接到功率晶体管Q6的基极和电流源I2；所述同类型NPN管Q3管基极和集电极短接并连接到同类型NPN管Q4管基极、电流源I2、PNP管Q2的集电极，所述同类型NPN管Q4管集电极连接到缓冲级单元电路NPN管Q5集电极、电流放大器A1输入端、环路补偿单元电路电容C1；所述电流放大器A1输出端连接到功率晶体管Q6输入端，所述环路补偿单元电路包括电阻R1、电容C1串联，电阻R1连接到功率晶体管Q6输入端。
如图4所示，是本发明提出的极点-极点跟踪电路，由前所述，LDO存在两个低频极点，一个输出极点POUT：
Figure BDA0004000208460000041
其中COUT为负载电容，ROUT为负载，
Figure BDA0004000208460000042
在大电流场景下，负载电流在大范围内移动使得输出电阻ROUT变化增大，导致POUT在很大频率范围内移动；
另一个功率管输入端极点Pe：
Figure BDA0004000208460000043
其中ROUT-EA是误差放大器输出电阻，Ce是功率管寄生电容，一方面，LDO的输出精度要求在不断提高，误差放大器通过提升输出电阻ROUT-EA来提高增益，另一方面随着输出电流的提高，功率管尺寸加大使得寄生电容Ce加大，这两个原因使得在大电流场景中功率管输入端极点处于较低频且难以补偿。基于现阶段问题所在，在本发明电路中，将输出极点POUT设置为主极点，将功率管输入端极点Pe设置为次极点，使功率管输入极点Pe与负载电流相关联，在负载电流变化范围内跟随输出极点沿同一方向移动，形成极点-极点跟踪效果，并且始终处于2.2倍单位增益带宽以外。
在图4中，PNP管Q1按比例对输出电流进行等比例复制并传输给同类型PNP管Q2，通过电流镜Q3、Q4将复制的电流作为源跟随器Q5的可变负载，当输出电流增大时，变化的电流△IOUT通过Q1→Q2→Q3→Q4→Q5的电流路径进行传输，改变Q5负载电流，进而改变Q5的输出阻抗；同时在Q5集电极与发射极之间加入增益为A的电流放大器A1作为反馈电路对功率管输入端极点Pe位置进行调整，在设计时，设计电流源I2电流大于电流源I1电流，工作时，多余的电流流入电流放大器A1，经A1放大后反馈回Q5发射极，大大提高输出级的电流，进一步降低了输出阻抗，经过计算可以得到此时Q5输出电阻：
Figure BDA0004000208460000051
其中，A是电流放大器A1的增益，在gm是晶体管的跨导，带入功率管输入端极点Pe表达式：
Figure BDA0004000208460000052
其中，VT是热电压常数，α、β是电流复制系数，由于加入了反馈电路，从极点Pe表达式可以看到，通过改变电流放大器A1的增益A即可控制两极点之间的位置关系，使得功率管输入极点Pe始终在单位增益带宽以外，保证环路的稳定。由输出极点POUT表达式：
Figure BDA0004000208460000053
得：
Pe∝POUT。
如图5所示，是插入本发明电路的LDO的主极点、次极点在空载和重载下的示意图，可以看到，当负载从空载向重载转换的过程中，随着负载电流的增加，
功率管输入极点Pe跟随输出极点POUT沿同一方向移动，形成极点-极点跟踪效果，达到了电路设计目标。
如图6所示，是插入本发明电路的LDO的增益曲线、相位曲线在空载和重载下的示意图，可以看到，当负载从空载向重载转换的过程中，随着负载电流的增加，功率管输入极点Pe跟随输出极点POUT沿同一方向移动，并且始终在单位增益带宽以外，系统始终保持稳定。
最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，本发明包括但不限于以上实施例，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡符合本发明要求的实施方案均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，其特征在于：包括缓冲级单元电路、反馈单元电路、电流镜电路、电流采样单元电路及环路补偿单元电路；
所述缓冲级单元电路的输入端与前级误差放大器的输出端连接，输出端与后级功率放大器的输入端连接，产生跟随负载电流变化的输出极点，对功率管输入极点-输出极点跟踪频率进行补偿；
所述反馈单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的负载端连接，所述反馈单元电路包括电流放大器，对所述缓冲级单元电路电流进行补偿，调整所述缓冲级单元电路的输出极点；
所述电流镜电路的输出端与缓冲级单元电路的负载端连接，复制所述电流采样单元电路采样电流，为所述缓冲级单元电路提供可变负载；
所述电流采样单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的输出端、电流镜电路的恒流负载端连接，按比例采样LDO的功率放大器电流；
所述环路补偿单元电路的输入端与后级功率放大器的输入端连接，输出端与缓冲级单元电路的负载端连接，对所述缓冲级单元电路与所述反馈单元电路所构成环路进行频率补偿。
2.如权利要求1所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，其特征在于，所述频率补偿电路包括：同类型PNP晶体管Q1、Q2，同类型NPN晶体管Q3、Q4，PNP管Q5，电流源I1、I2，电流放大器A1，电阻R1，电容C1；
所述缓冲级单元电路包括PNP管Q5组成的源跟随器、电流可变的电流源负载I2；
所述反馈单元电路包括电流放大器A1；
所述电流镜电路包括两个同类型NPN晶体管Q3、Q4，电流源I1；
所述电流采样单元电路包括两个同类型PNP晶体管Q1、Q2；
所述环路补偿单元电路包括电阻R1、电容C1，串联组成带调零的弥勒补偿电路；
所述Q5基极连接到LDO的误差放大器的输出端，PNP晶体管Q5发射极连接到LDO的功率晶体管Q6输入端；所述Q1管基极和集电极短接并连接到功率晶体管Q6的基极，Q1管基极连接到Q2的基极；所述Q5的发射极连接到功率晶体管Q6的基极和电流源I2；所述Q3管基极和集电极短接并连接到Q4管基极、电流源I2、Q2的集电极；所述Q4管集电极连接到Q5集电极、电流放大器A1输入端、C1的一端；所述A1输出端连接到功率晶体管Q6输入端；所述R1与C1串联，R1连接到功率晶体管Q6输入端。
3.如权利要求2所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路，其特征在于：主极点及次极点处于2.2倍单位增益带宽以外。
4.如权利要求1所述的一种用于LDO的极点-极点跟踪频率补偿电路的补偿算法，其特征在于：
将输出极点POUT作为LDO的主极点，将功率管输入极点Pe作为次主极点；
在LDO结构中误差放大器和功率管之间插入本发明电路作为缓冲级；
利用电流采样电路采样输出电流，使功率管输入极点Pe与负载电流相关联，在负载电流变化范围内跟随输出极点沿同一方向移动，形成极点-极点跟踪效果，以此达到维持反馈回路稳定的目的；
加入反馈电路控制两极点之间的位置关系，使得功率管输入极点Pe始终在单位增益带宽以外。
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