CN116578152B - 调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容ldo电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，包括带隙基准电路、误差放大器、共源放大器、输出功率管、片内密勒补偿电路、有源前馈补偿电路、反馈电阻网络。该LDO为三级结构，第一级为误差放大器，第二级为共源放大器，第三级为输出功率管，通过第一级和第二级的放大器极大提高了电路的放大倍数，实现了高增益的效果；三级结构带来的稳定性问题，可以由该LDO中的片内密勒补偿电路与有源前馈补偿电路进行双重补偿解决，无需增加片外电容，减少该LDO外部电路的复杂性，增强了LDO的稳定性。

Description

调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及CMOS集成电路技术领域中一种调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容低压差线性稳压器LDO(Low Drop-Out LinearRegulator)电路。本发明可用于小型电子设备以及其他芯片的电源。

背景技术

LDO电路的作用是将输入电压稳定为一个固定的输出电压，同时最小化输入电压和输出电压之间的压差。LDO通常用于需要稳定电压的电路中，例如电子设备、通信设备、计算机等。LDO能够将不稳定的输入电压转换为稳定的输出电压，确保电路中的其他元件能够在合适的电压下正常工作，从而保证系统的可靠性和性能稳定性；能够将高电压降低到较低的电压，满足一些特殊应用的需要，例如低功耗应用、电池供电应用等；相对于传统的开关稳压器，LDO内部电路更简单，不需要大量的外部元件，能够在有限的空间内提供高品质的稳压功能。

传统LDO需要接输出电容来保持系统的稳定性，如果采用片外电容，则会占据了一定的板子空间，且需要增加芯片的引脚；如果在片内集成大电容，则会大幅增加芯片的面积。随着电子设备小型化的趋势，无论从芯片成本考虑还是所需LDO模块可能会占用电路板的面积考虑，都需要设计一种无输出电容且能实现系统稳定的LDO。

传统无输出电容LDO的补偿方式可以分为三种，嵌套式密勒补偿NMC(NestedMiller Compensation)、反向嵌套密勒补偿RNMC(Reverse Nested Compensation)、有源前馈补偿AFFC(Active Feedforward Compensation)。

上海宏力半导体制造有限公司在其拥有的专利技术“一种无电容低压差稳压器结构”(申请号CN 201010271214.4，授权公告号CN 102385406 B，授权公告日2012.03.21)中公开了一种无电容低压差稳压器结构。该专利中公开的无电容低压差稳压器结构采用的是NMC结构的补偿方式。NMC通过将两个电容器相互连接来提供补偿，在三级放大器中，第一级输出节点通过第一个电容器连接到最后一个节点，第二个电容器则从第二级输出连接到最后一级的输出。NMC结构的稳定性由它的复极点以及品质因数决定。该电路存在的不足之处是，应该通过增加第二个电容器的值和降低品质因数值来防止增益峰值的出现。然而，由于第二个极点移动到较低的频率，会出现稳定性问题，所以应该增加第一个电容器值以降低单位增益带宽UGBW(Unity Gain Bandwidth)的频率。由于这个原因，在NMC结构中，两个补偿电容器的值都被设计得很大，这样就可以保证品质因数的值和相位裕度。但是这样设计会导致芯片中电容器所占面积较大，增加了芯片制造的成本。

电子科技大学在其拥有的专利技术“一种快速瞬态响应的无片外电容低压差线性稳压器”(申请号CN 202111472936.0，授权公告号CN 114253330 A，授权公告日2022.03.29)中公开了一种快速瞬态响应的无片外电容低压差线性稳压器。该专利中公开的快速瞬态响应的无片外电容低压差线性稳压器采用的就是RNMC结构的补偿方式，该结构在三级放大器中，第一级输出节点通过第一个电容器连接到最后一个节点，第二个电容器从第一个输出节点连接到第二级的输出。该电路存在的不足之处是，第二级和第三级的增益不能设置的过大，过大的第二级和第三级增益容易引发LDO的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，用于解决现有三级LDO电路采用NMC结构补偿，补偿电容所占面积过大的问题，解决现有RNMC结构第二和第三级增益不能设置过大的问题。

实现本发明目的的思路是，针对传统三级LDO补偿采用的NMC结构进行，本发明采用了带调零电阻的密勒补偿与有源前馈双重补偿的方式，带调零电阻的密勒补偿相比于传统的NMC结构的补偿方式，所需补偿电容的面积更小，也将NMC结构会产生的右半平面零点转移了到左半平面，更利于补偿的设置，有源前馈补偿改善了相位差，并允许更宽的UGBW。本发明采用的是三级结构的LDO。本发明中的误差放大器为第一级结构，其正向端连接本发明中反馈电阻网络的输出端，负向端连接本发明中带隙基准电路提供的基准电压，其输出端连接本发明中的共源放大器，并输出反馈电阻网络输出端电压与带隙基准电路提供的基准电压的误差信号；本发明中的共源放大器为第二级结构，其输入端接本发明中误差放大器的输出端，输出端接输出功率管的输入端，该接结构用以放大本发明中误差放大器输出的误差信号，提高本发明中LDO的增益；本发明中的输出功率管为第三级结构，其输入端接本发明中共源放大器的输出端，输出端接负载，该结构通过接收本发明中共源放大器输出放大后的误差信号，调整本发明中LDO输出的电流以及保持本发明中LDO输出的电压。本发明中片内密勒补偿电路输入端接本发明中误差放大器的输出端，输出端接本发明中功率输出管的输出端，由于本发明中片内密勒补偿电路采用带调零电阻的密勒补偿，该密勒补偿用于对本发明中LDO主副极点的分裂，且不会产生NMC结构以及RNMC结构中RHP零点的问题；本发明中的有源前馈补偿其输入端接本发明中误差放大器的输入端，输出端接本发明中输出功率管的输出端，该有源前馈补偿用于给本发明中的LDO提供一个零点；本发明中片内补偿电容输入端接本发明中输出功率管的输出端，输出端接本发明误差放大器正向端，用于调整第二个极点的位置。本发明中输出功率管采用了N型晶体管相比于P型晶体管具有更快的瞬态响应速度且N型晶体管电子迁移率比P型晶体管高，在驱动相同的电流时，N型晶体管版图面积小。

本发明的无输出电容LDO电路，包括带隙基准电路、误差放大器、共源放大器、输出功率管、片内密勒补偿电路、有源前馈补偿电路、输出端VOUT、反馈电阻网络；所述带隙基准电路连接误差放大器正向输入端；所述误差放大器输出连接共源放大器输入端，两个输入端分别连接反馈电阻网络与带隙基准电路；所述二级放大电路连接输出功率管；所述输出功率管输入端连接共源放大器，其输出端连接VOUT；所述输出端VOUT连接反馈电阻网络；所述反馈电阻网络连接误差放大器电路负向输入端与输出端VOUT；所述片内密勒补偿电路一端连接误差放大器输出端，一端连接输出端VOUT；所述有源前馈补偿电路一端连接误差放大电路输出端，一端连接输出端VOUT。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明采用了片内密勒补偿电路，本发明中的片内密勒补偿电路带有调零电阻，克服了现有NMC结构中会产生右半平面零点，且其中的补偿电容的值较大的问题，使得本发明显著减小了补偿电容所需的芯片面积，降低了芯片制造的成本。

第二，由于本发明采用了有源前馈补偿电路，克服了现有NMC结构中第二个零点比较难以设置的问题，显著减小了另一个零点设置的难度，使得本发明提高了LDO中的相位裕度，增强了LDO的稳定性。

第三，由于本发明采用了片内密勒补偿电路和有源前馈补偿电路的双重补偿的方式，克服了RNMC结构中第二级和第三级增益不能设置过大的问题，使得本发明显著增强了第二级和第三级的增益，提高了本发明LDO中的增益。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明电路的仿真伯德图。

具体实施方式

以下参照说明书附图和实施例，对本发明作进一步的说明。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述

参照图1，对发明的框图结构作进一步的说明。

一种调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，包括带隙基准电路、误差放大器、共源放大器、输出功率管、片内密勒补偿电路、输出端VOUT、反馈电阻网络、片内密勒补偿电路、有源前馈补偿电路；所述带隙基准电路连接误差放大器正向输入端。所述误差放大器输出连接共源放大器输入端，两个输入端分别连接反馈电阻网络与带隙基准电路；所述二级放大电路连接输出功率管。所述输出功率管输入端连接共源放大器，其输出端连接VOUT。所述输出端VOUT连接反馈电阻网络。所述反馈电阻网络连接误差放大器电路负向输入端与输出端VOUT。所述片内密勒补偿电路一端连接误差放大器输出端，一端连接输出端VOUT。所述有源前馈补偿电路一端连接误差放大电路输出端，一端连接输出端VOUT。

参照图2，对发明的具体电路原理作进一步的说明。

所述误差放大器电路包括第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第四PMOS管PM4。其中，第一PMOS管PM1的栅极为误差放大器的负向输入端连接带隙基准电路提供的基准电压VREF，漏极为误差放大器的输出端连接第三NMOS管NM3的漏极，源极连接第四PMOS管PM4的漏极。第二PMOS管PM2的栅极为误差放大器的正向输入端连接反馈电阻网络的输出端，漏极连接第四NMOS管NM4的栅极和漏极，源极连接第四PMOS管PM4的漏极。第三NMOS管NM3的栅极连接第四NMOS管NM4的栅极和漏极，漏极连接第一PMOS管PM1的漏极，源极连接地。第四NMOS管NM4的栅极和漏极连接第二PMOS管PM2的漏极，源极连接地。第四PMOS管PM4源极接输入端VIN，漏极接第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2的源极，栅极接第三PMOS管PM3的栅极和漏极。

所述共源放大器包括第五NMOS管NM5和第五PMOS管PM5。其中，第五NMOS管NM5的栅极为二级放大电路的输入端连接误差放大器电路的输出端，漏极为二级放大电路的输出端连接第五PMOS管PM5的漏极，源极连接地。第五PMOS管PM5的源极连接输入端VIN，漏极连接第五NMOS管NM5的漏极，栅极连接第四PMOS管PM4的栅极。

所述片内密勒补偿电路包括密勒补偿电容CM和调零电阻RM。其中，密勒补偿电容CM一端为所述片内密勒补偿电路的输入端连接误差放大器的输出端，另一端连接调零电阻RM。调零电阻RM一端连接密勒补偿电容CM，另一端为所述片内密勒补偿电路的输出端连接输出端VOUT。

所述有源前馈补偿电路包括第七NMOS管NM7。其中，第七NMOS管NM7的栅极连接所述误差放大器的输出端第一PMOS管PM1的漏极，源极接地，漏极接输出端VOUT。

所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1；其中，第一电阻R1一端为反馈电阻网络的输入端接输出端VOUT，另一端为反馈电阻网络的输出端连接第二电阻R2的一端。第二电阻R2一端连接反馈电阻网络的输出端，另一端接地；其中，电容C1一端为反馈电阻网络的输入端连接输出端VOUT，另一端为输入端连接反馈电阻网络的输出端。

所述输出功率管包括第六NMOS管NM6。其中，第六NMOS管栅极为输出功率管的输入端，连接所述共源放大器的输出端，漏极连接外部电源VIN，源极连接所述输出端VOUT。

所述带隙基准电路。其中，带隙基准电路为所述误差放大器负向输入端提供一基准电压，为所述误差放大器，所述共源放大器提供偏执电流IREF。

本发明实施例的功能是将外部电源的输入电压稳定到一个恒定输出电压。

下面结合图1，对本发明实施例的工作方式进一步的详细说明：

本发明中的LDO为三级结构。本发明中的误差放大器为第一级结构，其正向端连接本发明中反馈电阻网络的输出端，负向端连接接本发明中带隙基准电路提供的基准电压，其输出端连接接本发明中的共源放大器，并输出反馈电阻网络输出端电压与带隙基准电路提供的基准电压的误差信号；本发明中的共源放大器为第二级结构，其输入端接本发明中误差放大器的输出端，输出端接输出功率管的输入端，该接结构用以放大本发明中误差放大器输出的误差信号，提高本发明中LDO的增益；本发明中的输出功率管为第三级结构，其输入端接本发明中共源放大器的输出端，输出端接负载，该结构通过接收本发明中共源放大器输出放大后的误差信号，调整本发明中LDO输出的电流以及保持本发明中LDO输出的电压。

本发明中片内密勒补偿电路输入端接本发明中误差放大器的输出端，输出端接本发明中功率输出管的输出端，由于本发明中片内密勒补偿电路采用带调零电阻的密勒补偿，该密勒补偿用于对本发明中LDO主副极点的分裂，且不会产生NMC结构以及RNMC结构中RHP零点的问题；本发明中的有源前馈补偿其输入端接本发明中误差放大器的输入端，输出端接本发明中输出功率管的输出端，该有源前馈补偿用于给本发明中的LDO提供一个零点；本发明中片内补偿电容输入端接本发明中输出功率管的输出端，输出端接本发明误差放大器正向端，用于调整第二个极点的位置。

本发明实施例中带隙基准电路提供的基准电压为100mV；反馈电阻网络中R1与R2的比例为11：1，其中R1为1.1MΩ，R2为100kΩ；输入电压VIN为5V；输出电压设定的为1.2V。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。

1.仿真实验条件：

本发明仿真实验的软件平台为：Linux操作系统和IC616。

本发明的仿真是运用Spectre仿真工具对本发明电路进行仿真，采用0.18μmBCD工艺，给定输入端VIN工作电压为5V，设置的输出电压为1.2V，负载电流为100mA，工作温度为25℃。

2.仿真内容及其结果分析：

采用Spectre仿真工具对本电路进行stb仿真，扫描频率为1Hz到1GHz，得到仿真结果图3。

图3是本发明的伯德图，由该伯德图可知，本发明的直流增益为86.6dB，相位裕度为82.2°。仿真结果表明，本发明的LDO具有较高的直流增益，以及良好的相位裕度，且由于无需外部电电容，减少了外部所需的器件，以及本身的引脚数量。

上述实施例仅为本发明的一种实现方式，应当理解，本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的基本原理、结构，进行形式和细节上的改变。因此，凡本领域的技术人员由本发明思想引申出的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，包括带隙基准电路、误差放大器、共源放大器、输出功率管、输出端VOUT、反馈电阻网络，其特征在于，还包括片内密勒补偿电路、有源前馈补偿电路；所述带隙基准电路连接误差放大器正向输入端；所述误差放大器输出连接共源放大器输入端，两个输入端分别连接反馈电阻网络与带隙基准电路；所述输出功率管输入端连接共源放大器，其输出端连接VOUT；所述输出端VOUT连接反馈电阻网络；所述反馈电阻网络连接误差放大器电路负向输入端与输出端VOUT；所述片内密勒补偿电路一端连接误差放大器输出端，一端连接输出端VOUT；所述有源前馈补偿电路一端连接误差放大电路输出端，一端连接输出端VOUT；所述误差放大器电路包括第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第四PMOS管PM4；其中，第一PMOS管PM1的栅极为误差放大器的负向输入端连接带隙基准电路提供的基准电压VREF，漏极为误差放大器的输出端连接第三NMOS管NM3的漏极，源极连接第四PMOS管PM4的漏极；第二PMOS管PM2的栅极为误差放大器的正向输入端连接反馈电阻网络的输出端，漏极连接第四NMOS管NM4的栅极和漏极，源极连接第四PMOS管PM4的漏极；第三NMOS管NM3的栅极连接第四NMOS管NM4的栅极和漏极，漏极连接第一PMOS管PM1的漏极，源极连接地；第四NMOS管NM4的栅极和漏极连接第二PMOS管PM2的漏极，源极连接地；第四PMOS管PM4源极接输入端VIN，漏极接第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2的源极，栅极接第三PMOS管PM3的栅极和漏极；所述共源放大器包括第五NMOS管NM5和第五PMOS管PM5；其中，第五NMOS管NM5的栅极为二级放大电路的输入端连接误差放大器电路的输出端，漏极为二级放大电路的输出端连接第五PMOS管PM5的漏极，源极连接地；第五PMOS管PM5的源极连接输入端VIN，漏极连接第五NMOS管NM5的漏极，栅极连接第四PMOS管PM4的栅极；所述片内密勒补偿电路包括密勒补偿电容CM和调零电阻RM；其中，密勒补偿电容CM一端为所述密勒补偿的输入端连接误差放大器的输出端，另一端连接调零电阻RM；调零电阻RM一端连接密勒补偿电容CM，另一端为所述片内密勒补偿电路的输出端并连接输出端VOUT；所述有源前馈补偿电路包括第七NMOS管NM7；其中，第七NMOS管NM7的栅极连接所述误差放大器的输出端第一PMOS管PM1的漏极，源极接地，漏极接输出端VOUT；所述反馈电阻网络包括第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1；其中，第一电阻R1一端为反馈电阻网络的输入端接输出端VOUT，另一端为反馈电阻网络的输出端连接第二电阻R2的一端；第二电阻R2一端连接反馈电阻网络的输出端，另一端接地；其中，电容C1一端为反馈电阻网络的输入端连接输出端VOUT，另一端为输入端连接反馈电阻网络的输出端。

2.根据权利要求1所述的调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，其特征在于，所述输出功率管包括第六NMOS管NM6；其中，第六NMOS管栅极为输出功率管的输入端，连接所述共源放大器的输出端，漏极连接外部电源VIN，源极连接所述输出端VOUT。

3.根据权利要求1所述的调零电阻与有源前馈双重补偿的无输出电容LDO电路，其特征在于，所述带隙基准电路；其中，带隙基准电路为所述误差放大器负向输入端提供一基准电压，为所述误差放大器，所述共源放大器提供偏置电流IREF；其中，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2和第三PMOS管PM3同组成为所述误差放大器和所述共源放大器提供直流工作点的偏置电路，所述偏置电路由所述带隙基准电路提供偏置电流IREF。