CN116136698A - 误差放大器的补偿电路和电压转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种误差放大器的补偿电路和电压转换器，包括补偿电容、可变电阻模块和隔离稳压模块。补偿电容耦接在误差放大器的输出端和第一节点之间，可变电阻模块与第二节点耦接，用于根据负载电流的第一采样电流提供相应的可变电阻值，隔离稳压模块耦接于第一节点和第二节点之间，用于在误差放大器的输出电压跌落时维持第一节点和第二节点之间的阻抗和电流不变，最终将可变电阻模块中用作可变电阻器的晶体管与误差放大器的输出电压相隔离，解决了该晶体管的导通阻抗容易受到误差放大器的输出电压的波动影响的问题，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，更具体地，涉及一种误差放大器的补偿电路和电压转换器。
背景技术
误差放大器的作用是通过比较取样电压(Vinn),亦称反馈电压与基准电压(Vinp)之问的误差値来产生误差电压(Vout),进而调节NPN型晶体管的压降,使输出电压维持不变。在基准电压稳定的前提下,误差放大器是影响线性稳压器性能的关键因素。
图1示出了传统的一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图。如图1所示，补偿电路100包括耦接在误差放大器的输出端的补偿电容Cc和补偿电阻Rc，二者组成的补偿网络用于对系统进行补偿。这种补偿电路虽然能够为系统提供一定的补偿，但是由于补偿电阻Rc的阻值固定，当负载电流在大范围上变化时，环路的响应速度依旧很慢，系统稳定性很差。
图2示出了传统的另一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图。如图2所示，补偿电路200包括补偿电容Cc、晶体管M1和M2，其中补偿电容Cc和晶体管M1耦接于误差放大器EA的输出端和地之间，晶体管M2的控制端(栅极)和第一端(漏极)与表征负载电流的采样电流Isen连接，第二端(源极)接地，晶体管M1的控制端(栅极)与晶体管M2的控制端和第一端的公共端耦接。晶体管M1用作与补偿电容Cc串联耦接的可变电阻器，其中漏源电阻(Rc)由晶体管M1的栅源电压(VGS)设置。晶体管M1的栅源电压VGS等于晶体管M2的栅源电压VGS，而晶体管M2的栅源电压VGS由晶体管M2的大小和从晶体管M2的漏源流出的采样电流Isen设置。从而，晶体管M1的电阻Rc的值根据负载电流的变化而变化。补偿电路200通过动态的补偿电阻补偿技术实现了在很快的负载范围内环路稳定，并大大提高了系统带宽，增快了环路的响应速度。
但是，补偿电路200中的晶体管M1的栅源电压VGS同时又很容易受到误差放大器EA的输出电压Vout的影响。例如，当电路稳态时，补偿电流Ic等于零，节点X的电压VX也为零，晶体管M1的栅源电压VGS＝VG2-VX，设其值为VGS0。当误差放大器EA的输出电压Vout突然下跌时，例如下跌了500mV，由于补偿电容Cc上的电压不能突变，因此节点X的电压也会被拉低，此时VX＝-500mV，此时晶体管M1的栅源电压VGS＝VGS0+500mV。由此可知，当误差放大器EA的输出电压Vout突变时，补偿电路200的晶体管M1的栅源电压VGS也会相应地变化，继而导致环路的补偿电阻Rc发生变化(如图3所示)，影响了系统的稳定性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种误差放大器的补偿电路和电压转换器，解决了环路补偿电阻受到误差放大器的输出电压的波动的影响的问题，提高了系统的稳定性。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种用于误差放大器的补偿电路，包括：补偿电容，其一端与所述误差放大器的输出端耦接，另一端与第一节点耦接；可变电阻模块，其一端与第二节点耦接，另一端与负载电流的第一采样电流耦接，适于根据所述第一采样电流提供相应的电阻值；以及隔离稳压模块，耦接于所述第一节点和所述第二节点之间，适于在所述误差放大器的输出电压跌落时维持所述第一节点和所述第二节点之间的阻抗和电流不变。
可选的，所述可变电阻模块包括：第一晶体管，其具有与所述第二节点耦接的电流传导路径以及被耦接到所述第一采样电流的控制端子。
可选的，所述第一晶体管是电流镜电路的电路部件，所述电流镜电路具有被配置为接收所述第一采样电流的输入端。
可选的，所述可变电阻模块还包括：第二晶体管，与所述第一晶体管构成电流镜电路，其第一端与所述第一采样电流耦接，第二端接地，控制端和第一端与所述第一晶体管的控制端耦接。
可选的，所述隔离稳压模块包括：第三晶体管，其具有与所述第一节点和所述第二节点耦接的电流传导路径，以及被耦接到与所述第一节点具有相同电压波动的控制节点的控制端子。
可选的，所述控制节点具有与所述第一节点相同的电压波动，以在所述输出电压波动时控制所述第三晶体管的导通阻抗恒定。
可选的，所述隔离稳压模块还包括：缓冲器，其具有与所述第一节点耦接的输入端以及输出端；以及第四晶体管，其第一端与负载电流的第二采样电流耦接，控制端与所述第一端耦接耦接，第二端与所述缓冲器的输出端耦接，其中，所述第四晶体管连接成MOS二极管，其控制端与第一端的公共端用于提供所述控制节点。
可选的，所述第一晶体管和所述第二晶体管为N沟道MOSFET器件。
可选的，所述第三晶体管和所述第四晶体管为N沟道MOSFET器件。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电压转换器，包括：耦接于输入端和输出端之间的功率晶体管；误差放大器，用于根据输出电压的反馈信号与参考信号之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及上述的补偿电路，耦接于所述误差放大器的输出端，用于对所述误差放大器进行频率补偿。
本发明的误差放大器的补偿电路包括补偿电容、可变电阻模块和隔离稳压模块，补偿电容耦接在误差放大器的输出端和第一节点之间，可变电阻模块与第二节点耦接，用于根据负载电流的第一采样电流提供相应的可变电阻值，隔离稳压模块耦接于第一节点和第二节点之间，用于在误差放大器的输出电压跌落时维持第一节点和第二节点之间的阻抗和电流不变，最终将可变电阻模块中用作可变电阻器的晶体管与误差放大器的输出电压相隔离，解决了该晶体管的导通阻抗容易受到误差放大器的输出电压的波动影响的问题，提高了系统的稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了传统的一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图；
图2示出了传统的另一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图；
图3示出了图2中的补偿电路在输出电压Vout跌落时补偿电阻Rc的变化示意图；
图4示出了本发明第一实施例的一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图；
图5示出了本发明第二实施例的一种电压转换器的示意性框图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“耦接到”另一元件或称元件/电路“耦接在”两个节点之间时，它可以直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
图4示出了本发明第一实施例的一种误差放大器的补偿电路的示意性电路图。如图4所示，补偿电路300包括补偿电容Cc、可变电阻模块310和隔离稳压模块320。其中补偿电容Cc的一端与误差放大器EA的输出端耦接，另一端与节点X耦接。隔离稳压模块320耦接于节点X与节点Y之间，适于在误差放大器EA的输出电压Vout波动时维持节点X与节点Y之间的阻抗和电流不变。可变电阻模块310的一端与节点Y耦接，另一端与第一采样电流Isen1耦接，其中第一采样电流Isen1用来表征负载电流的大小，可变电阻模块310响应于第一采样电流Isen1的大小，来提供相应的可变电阻值。
在一些实施例中，可变电阻模块310包括晶体管M1和M2，第一采样电流Isen1被施加到晶体管M1和M2形成的电流镜电路的输入端。晶体管M1和M2是N沟道MOSFET器件。晶体管M1的电流传导路径与节点Y耦接，电流镜电路相应地输出补偿电流Ic，该补偿电流Ic与第一采样电流Isen1成比例，并且更具体地，至少与负载电流成比例。晶体管M1和M2的源极端子被耦接至地，并且晶体管M1和M2的栅极端子被耦接在一起并且在电流镜电路的输入端处被耦接到晶体管M2的漏极端子。晶体管M1的漏极端子在电流镜电路的输出端(即，节点Y)处以提供补偿电流Ic。
其中，晶体管M1被用作与补偿电容Cc串联连接的可变电阻器，晶体管M1的漏源电阻(Rc)由晶体管M1的栅源电压(VGS)设置。晶体管M1的栅源电压VGS等于晶体管M2的栅源电压VGS，而晶体管M2的栅源电压VGS由晶体管M2的大小和从晶体管M2的漏源流出的第一采样电流Isen1设置。从而，晶体管M1的电阻Rc的值根据负载电流的变化而变化。
在一些实施例中，隔离稳压模块320包括晶体管M3和M4、以及缓冲器Buffer。晶体管M3和M4是N沟道MOSFET器件。晶体管M3的电流传导路径耦接于节点X和节点Y之间，晶体管M3和M4的栅极端子被耦接在一起并且在晶体管M4的漏极端子耦接至第二采样电流Isen2，其中第二采样电流Isen2同样用来表征负载电流。缓冲器Buffer的输入端耦接到节点X，输出端耦接到晶体管M4的源极端子。其中缓冲器Buffer用来将节点X的电压波动传递到晶体管M4的源极端子，而晶体管M4连接成MOS二极管，在其漏极端子的第二采样电流Isen2保持不变的情况下，晶体管M4的栅源电压VGS会保持不变，从而在晶体管M4的栅极端子G4提供一个与节点X具有相同的电压波动的控制节点。由于晶体管M3的栅极端子和晶体管M4的栅极端子耦接，因此晶体管M3的栅极端子也具有与节点X相同的电压波动，从而在节点X出现电压波动时使得晶体管M3的栅源电压VGS保持不变，进而使得晶体管M3的导通阻抗和电流保持不变。下面参照一个具体的例子对本实施例的补偿电路进行详细的说明。
当系统稳态时，补偿电容Cc开路，所以补偿电流Ic＝0，节点X和节点Y的电压VX＝VY＝0。此时，晶体管M3的栅源电压VGS3＝VG4-VX＝VG4，其中VG4为晶体管M4的栅极端子G4上的电压。
当误差放大器EA的输出电压Vout突然下跌时，例如500mV，由于补偿电容Cc上的电压不能突变，因此节点X上的电压VX也会随之下跌500mV，即VX＝0-500mV＝-500mV。由于缓冲器Buffer将节点X上的电压波动传递到晶体管M4的源极端子，因此晶体管M4的源极电压也会跟随节点X下跌500mV。而晶体管M4连接成MOS二极管结构，当第二采样电流Isen2保持不变时，晶体管M4的栅源电压VGS4＝VG4-VS也会保持不变，其中VG4为晶体管M4的栅极端子上的电压，VS为晶体管M4的源极端子上的电压，因此晶体管M4的栅极端子上的电压VG4也会相应地下跌500mV。由于晶体管M3的栅极端子上的电压(电压VG4)和漏极端子上的电压(节点X上的电压VX)同时下跌了500mV，因此晶体管M3的栅源电压VGS保持不变，进而使得晶体管M3的导通阻抗和电流不变，最终将晶体管M1与误差放大器的输出电压相隔离，解决了晶体管M1的导通阻抗容易受到误差放大器的输出电压的波动影响的问题，提高了系统的稳定性。
图5示出了本发明第二实施例的一种电压转换器的示意性框图。如图5所示，该电压转换器400，例如低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)包括集成在同一集成电路芯片中的功率晶体管Mnp和控制电路。功率晶体管Mnp为芯片的主要输出管，具有耦接到输入端(Vin)的第一端以及耦接到输出端的第二端(Vout)。功率晶体管Mnp可以包括N沟道MOSFET器件(其中第一端是漏极端子并且第二端是源极端子)或者P沟道MOSFET器件(其中第一端是源极端子并且第二端是漏极端子)。功率晶体管Mnp的控制端子(例如，MOSFET器件的栅极端子)耦接至误差放大器EA的输出端，该误差放大器EA用于根据反馈信号VFB和参考信号VREF之间的电压差来驱动功率晶体管Mnp，从而在输出端得到稳定的电压输出。
在一些实施例中，该电压转换器400还包括耦接在功率晶体管Mnp的输出端和地之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2构成的反馈网络用于提供输出的反馈信号VFB。
此外，电压转换器400还包括耦接在误差放大器EA的输出端的补偿电路300。其中补偿电路300具有与第一实施例中的补偿电路300完全相同的电路结构，至少包括补偿电容Cc、可变电阻模块310和隔离稳压模块320，可变电阻模块310提供与负载电流相应的可变电阻值，隔离稳压模块320将可变电阻模块310中的晶体管与误差放大器EA的输出端相隔离，从而避免了误差放大器的输出电压波动对可变电阻模块中用作可变电阻器的晶体管的栅源电压的影响，提高了系统的稳定性。
综上所述，本发明实施例的误差放大器的补偿电路包括补偿电容、可变电阻模块和隔离稳压模块，补偿电容耦接在误差放大器的输出端和第一节点之间，可变电阻模块与第二节点耦接，用于根据负载电流的第一采样电流提供相应的可变电阻值，隔离稳压模块耦接于第一节点和第二节点之间，用于在误差放大器的输出电压跌落时维持第一节点和第二节点之间的阻抗和电流不变，最终将可变电阻模块中用作可变电阻器的晶体管与误差放大器的输出电压相隔离，解决了该晶体管的导通阻抗容易受到误差放大器的输出电压的波动影响的问题，提高了系统的稳定性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种用于误差放大器的补偿电路，包括：
补偿电容，其一端与所述误差放大器的输出端耦接，另一端与第一节点耦接；
可变电阻模块，其一端与第二节点耦接，另一端与负载电流的第一采样电流耦接，适于根据所述第一采样电流提供相应的电阻值；以及
隔离稳压模块，耦接于所述第一节点和所述第二节点之间，适于在所述误差放大器的输出电压跌落时维持所述第一节点和所述第二节点之间的阻抗和电流不变。
2.根据权利要求1所述的补偿电路，其中，所述可变电阻模块包括：
第一晶体管，其具有与所述第二节点耦接的电流传导路径以及被耦接到所述第一采样电流的控制端子。
3.根据权利要求2所述的补偿电路，其中，所述第一晶体管是电流镜电路的电路部件，所述电流镜电路具有被配置为接收所述第一采样电流的输入端。
4.根据权利要求3所述的补偿电路，其中，所述可变电阻模块还包括：
第二晶体管，与所述第一晶体管构成电流镜电路，其第一端与所述第一采样电流耦接，第二端接地，控制端和第一端与所述第一晶体管的控制端耦接。
5.根据权利要求1所述的补偿电路，其中，所述隔离稳压模块包括：
第三晶体管，其具有与所述第一节点和所述第二节点耦接的电流传导路径，以及被耦接到与所述第一节点具有相同电压波动的控制节点的控制端子。
6.根据权利要求5所述的补偿电路，其中，所述控制节点具有与所述第一节点相同的电压波动，以在所述输出电压波动时控制所述第三晶体管的导通阻抗恒定。
7.根据权利要求5所述的补偿电路，其中，所述隔离稳压模块还包括：
缓冲器，其具有与所述第一节点耦接的输入端以及输出端；以及
第四晶体管，其第一端与负载电流的第二采样电流耦接，控制端与所述第一端耦接耦接，第二端与所述缓冲器的输出端耦接，
其中，所述第四晶体管连接成MOS二极管，其控制端与第一端的公共端用于提供所述控制节点。
8.根据权利要求4所述的补偿电路，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管为N沟道MOSFET器件。
9.根据权利要求7所述的补偿电路，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管为N沟道MOSFET器件。
10.一种电压转换器，包括：
耦接于输入端和输出端之间的功率晶体管；
误差放大器，用于根据输出电压的反馈信号与参考信号之间的电压差驱动所述功率晶体管；以及
权利要求1-9任一项所述的补偿电路，耦接于所述误差放大器的输出端，用于对所述误差放大器进行频率补偿。
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| CN202111359156.5A CN116136698A (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 误差放大器的补偿电路和电压转换器 |
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Cited By (1)
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| CN116388567A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-07-04 | 拓尔微电子股份有限公司 | 相位补偿电路、相位补偿装置及降压芯片 |
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2021
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| CN116388567B (zh) * | 2023-05-31 | 2023-08-22 | 拓尔微电子股份有限公司 | 相位补偿电路、相位补偿装置及降压芯片 |
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