CN202995523U - 无输出滤波电容超低功耗低压差线性调节器 - Google Patents

Abstract

一种无输出滤波电容超低功耗低压差线性调节器，包括：由带隙基准电压生成模块、误差放大器、功率管MP5、反馈网络构成的经典低压差线性调节器；还包括：环路补偿电容Cc1、Cc2，电容Cc1连接在调节器的电压输出端与功率管MP5的栅极之间；电容Cc2连接在调节器的电压输出端与误差放大器的“-”输入端之间；摆率检测电路，实时监测调节器的输出电压的变化，检测到输出电压的变化便输出一个控制信号到动态偏置放大电路；动态偏置放大电路，根据所述控制信号动态地调整误差放大器的偏置电流；误差放大器尾电流生成电路，连接在所述动态偏置放大电路与误差放大器的尾电流端口之间。本实用新型具有无片外滤波电容，极低静态功耗，具备快速瞬态响应的特征。

Description

无输出滤波电容超低功耗低压差线性调节器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体涉及电源管理电路。

背景技术

电源管理电路在诸如射频标签识别，植入医疗设备中变得越来越重要。这是因为在这些应用系统中电源能量供给点非常受限。此外，用于蓄能和稳定线性电源反馈环路的外置电容通常也很难得到。因此，具有无片外滤波电容，低静态功耗的低压差线性调节器（LDO，Linear drop-out regulator），将会在这些场合被广泛应用。

然而，同时具备无片外电容，低功耗，快速瞬态响应和高输出摆率的低压差调节器却很难得到。传统的低压差线性调节器需要片外滤波电容在提供能量的同时给反馈回路提供补偿，从而保证其环路的稳定性。此外，要提供高的输出摆率，传统的低压差线性调节器需要消耗很大的静态电流以保证其快速的瞬态响应。

如图1所示，经典低压差线性调节器主要由带隙基准电压生成模块（图中标识Bandgap）、误差放大器（图中标识Err_op amp）、功率管MP5、反馈电阻R3、R4，以及输出旁路电容Cb构成。其中，误差放大器通过比较基准电压Vref与输出电压的分压信号

得到相应的误差控制信号，即功率管MP5的栅极输入信号，最终低压差调节器的输出电压会因为反馈环路的动态调整而保持一个与负载电流，输入电压以及工作温度变化无关的恒定输出电压。

在图1经典的LDO实现中，要保证输出电压不随负载电流、输入电压以及工作温度的变化而变化，每个独立模块需要消耗很大的静态电流，尤其是误差放大器，需要很大的带宽以保证在输出电压跌落或上升到一定值之前放大器的输出已经能够足以调节功率管的导通状态来抑制输出电压的变化。此外，外部的滤波电容（通常为uF级别）也在输出变化瞬间释放或者吸收相应的电荷来抑制输出电压的变化。经典的LDO能够保持很好的负载和线性调整性能。但是，如果去掉经典LDO结构中uF级的外部滤波电容，只允许较小的（pF级）输出滤波电容，而且要求整个LDO功耗降至10uA以下，那么经典结构LDO的输出线性调整率和负载调整率性能将急剧恶化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型结构的线性低压差调节器，能够具有无片外滤波电容，极低静态功耗，同时具备快速瞬态响应的特征。

上述目的由以下技术方案实现：

一种无输出滤波电容超低功耗低压差线性调节器，包括：由带隙基准电压生成模块、误差放大器、功率管MP5、反馈网络构成的经典低压差线性调节器；其特征在于，还包括：

环路补偿电容Cc1、Cc2，电容Cc1连接在调节器的电压输出端与功率管MP5的栅极之间；电容Cc2连接在调节器的电压输出端与误差放大器的“-”输入端之间；

摆率检测电路，实时监测调节器的输出电压的变化，检测到输出电压的变化便输出一个控制信号到动态偏置放大电路；

动态偏置放大电路，根据所述控制信号动态地调整误差放大器的偏置电流；

误差放大器尾电流生成电路，连接在所述动态偏置放大电路与误差放大器的尾电流端口之间。

作为具体的技术方案，所述反馈网络主要由反馈电阻R3、R4构成，电阻R3、R4的节点为送到误差电压放大器采样值的采样点。

作为具体的技术方案，所述摆率检测电路及动态偏置放大电路由直流电流源I_bias，I_bias1，直流电压源V_dc，晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6、晶体管MN7、电阻R1、电阻R2构成；晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接电压源V_dc及晶体管MN4的栅极；晶体管MN4的栅极连接电压源V_dc，源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电流源I_bias1；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的漏极、晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6的源极、晶体管MN7的源极接地，电阻R1，R2连接在VDD与MN6漏极之间；晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路。

作为具体的技术方案，所述摆率检测电路及动态偏置放大电路还可以由直流电流源I_bias、晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7，及电阻R1、R2构成；晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接晶体管MN1的漏极及晶体管MN4的栅极；晶体管MN1的源极连接晶体管MN2的漏极，晶体管MN2的源极连接晶体管MN3的漏极，晶体管MN3的源极接地；晶体管MN1、MN2、MN3的栅极彼此连接并同时连接晶体管MN4的栅极，晶体管MN4的源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电阻R1和R2的节点；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的漏极及晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6、MN7的源极接地，电阻R1，R2串接在VDD与MN6漏极之间；晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路。

作为具体的技术方案，所述误差放大器尾电流生成电路由晶体管MP3、MP4构成，晶体管MP3、MP4的源极连接VDD，栅极同时连接晶体管MN7的漏极，晶体管MP3的漏极连接其栅极，晶体管MP4的漏极接误差放大器的尾电流端口。

本实用新型针对低功耗，无片外电容，快速瞬态响应的应用场合在经典LDO的结构中增加了片内环路补偿电容、摆率检测电路、动态偏置放大电路及误差放大器尾电流生成电路。本实用新型采用直接输出采样信号进行摆率检测，动态地改变偏置电路中的偏置电阻或者动态地增加偏置电流，使得误差放大器的尾电流在调节器输出变化瞬间急剧增加，动态地改变了误差放大器的带宽，从而使得环路瞬态响应速度变快，大大改善了低功耗低压差线形调节器的负载调整率和线性调整率。

附图说明

图1是经典的低压差线性调节器的电路拓扑结构。

图2是本实用新型提供的低压差线性调节器的拓扑结构图。

图3是本实用新型的实施例一的电路图。

图4是本实用新型的实施例二的电路图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型提供的低静态功耗的低压差线性调节器（下文简称LDO）是在经典LDO拓扑结构中添加了动态偏置电流放大模块，该模块由摆率检测电路（图中标识为Slew rate Detection circuit）和动态偏置放大电路（图中标识为Bias-boosting Circuit）构成。摆率检测电路主要用来实时监测LDO输出电压的变化（负载或者输入电压等因素引起），一旦检测到输出电压的变化，便输出一个控制信号到动态偏置放大电路。动态偏置放大电路动态地调整误差放大器的偏置电流，从而动态地调整误差放大器的带宽，LDO反馈环路带宽也被加大，使得LDO闭环响应速度被加速。这样就同时满足了低压差线性调节器低功耗和快速瞬态响应的规格要求。

以下结合相应附图对实施例作详细说明。

实施例一：

如图3所示，实施例一提供的LDO包括：带隙基准电压生成模块（图中标识Bandgap）、误差放大器（图中标识Err_op amp）、功率管MP5、内部环路补偿电容Cc1、Cc2、电阻R3、电阻R4，以及摆率检测电路、动态偏置放大电路和误差放大器尾电流生成电路。

带隙基准电压生成模块、误差放大器、功率管MP5、及反馈电阻R3、电阻R4构成了现有经典低压差线性调节器，其连接配合关系本文不再赘述。

其中，基准电压生成模块主要用来产生一个近似不随输入电源电压，温度，工艺变化的参考电压信号。误差放大器通过比较基准电压信号与线形调节器输出电压的分压信号，输出一个误差控制信号，动态地调整功率管MP5的导通电阻，从而使得输出电压在不同负载或者电源电压的波动下保持近似不变。反馈电阻R3、R4构成反馈网络，通过反馈网络对输出电压进行采样，并将采样值送到误差电压放大器与基准电压进行比较，从而产生误差控制信号，对输出电压信号进行动态地调整。

由于误差放大器和功率管MP5一般至少构成两级增益级，在闭环应用过程中如果不进行环路补偿，则在某些负载条件下环路会出现振荡，从而导致输出电压振荡。经典的LDO是由外部旁路电容实现环路补偿的，而对于本实施例的无外部滤波电容的LDO结构，需要添加内部环路补偿电容来进行环路补偿，确保反馈环路在各种负载电流条件下（0→Imax）下均保持稳定。所以，本实施例设置了内部环路补偿电容Cc1、Cc2，内部环路补偿电容Cc1连接在本LDO的电压输出信号V_{pwr_reg}端与功率管MP5的栅极之间；内部环路补偿电容Cc2连接在本LDO的电压输出信号V_{pwr_reg}端与误差放大器的“-”输入端之间，Cc2同时具有快速采样输出电压的作用，使得Vfb能够更快地体现输出电压的变化。

下面重点介绍摆率检测电路、动态偏置放大电路及误差放大器尾电流生成电路的构造彼此连接配合关系：

参见图3中虚线框内部分，摆率检测电路和动态偏置放大电路主要由直流电流源I_bias，I_bias1，直流电压源V_dc，晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6、晶体管MN7、电阻R1、电阻R2构成。

晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接电压源V_dc及晶体管MN4的栅极；晶体管MN4的栅极连接电压源V_dc，源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电流源I_bias1；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的漏极、晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6的源极、功率管MN7的源极接地，电阻R1，R2连接在VDD与MN6漏极之间。

晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路，上述误差放大器尾电流生成电路由晶体管MP3、MP4构成的电流镜实现。具体地，晶体管MP3、MP4的源极连接VDD，栅极同时连接晶体管MN7的漏极，晶体管MP3的漏极连接其栅极，晶体管MP4的漏极接误差放大器的尾电流端口。

其中，

V_{pwr_reg}为LDO的电压输出信号。通常选取V_fb≤2V_{thn_min}+V_dsat-Δ_V，其中Δ_V一般取100mv～200mv（V_{thn_min}为N型晶体管阈值电压，与工艺制程相关；V_dsat为晶体管过驱动电压，约0.1~0.3V左右），Vfb的取值范围确保了晶体管MN5正常条件下不导通。V_dc也取近似的值，从而确保晶体管MN4、MN5在本LDO输出电压稳定的条件下不导通。考虑到低功耗的设计要求，电流源I_bias一般取几百nA左右。I_bias1为动态增加的偏置电流，可以根据瞬态响应的要求来选择，正常条件下该电流源不导通，不消耗功耗。本LDO输出电压稳定条件下流过晶体管MN6（(W/L)₆＝(W/L)₇,I₆=I₇）（W、L分别为晶体管的宽、长设计参数，与设计相关）的偏置电流为

其中g_m6为晶体管MN6的跨导，g_m6＝μC_ox(W/L)₆·(V_gs6-V_thn6)（C_ox为晶体管的栅氧电容参数，与制程相关；V_gs6为晶体管MN6的栅源电压、V_thn6为晶体管MN6的阈值电压）。

同样由于低功耗的设计要求，一般电阻R1、R2阻值在兆欧级别。当本LDO输出电压增加，Vfb增加，晶体管MN5导通，偏置电流瞬间增加到（I_bias1+I_{B_nmal}），同样误差放大器的尾电流从典型值增加到

其中

I_{B_nmal}为正常偏置电流。根据实际设计要求，一般动态电流可实现几倍到几十倍的增加，相应的瞬态响应速度几乎也可以实现相应比例的增加。在本LDO输出电压降低的条件下，晶体管MP2导通能力增加，晶体管MN4栅极电压瞬态增加，晶体管MN4导通，同样流过晶体管MN6的偏置电流也增加到（I_bias1+I_{B_nmal}），整个LDO瞬态响应速度同比例增加。

实施例二：

图4给出了本实用新型的另外一种实现方式，该实施例二与实施例一的区别在于：动态偏置电流放大模块的构造，即摆率检测电路和动态偏置放大电路的构造与实施例一有所不同。

如图4所示，摆率检测电路和动态偏置放大电路主要由直流电流源I_bias、晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7，及电阻R1、R2构成。

晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接晶体管MN1的漏极及晶体管MN4的栅极；晶体管MN1的源极连接晶体管MN2的漏极，晶体管MN2的源极连接晶体管MN3的漏极，晶体管MN3的源极接地；晶体管MN1、MN2、MN3的栅极彼此连接并同时连接晶体管MN4的栅极，晶体管MN4的源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电阻R1和R2的节点；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的漏极及晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6、MN7的源极接地，电阻R1，R2串接在VDD与MN6漏极之间；晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路。

误差放大器尾电流生成电路由晶体管MP3、MP4构成的电流镜实现。晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路具体为：晶体管MP3、MP4的源极连接VDD，栅极同时连接晶体管MN7的漏极，晶体管MP3的漏极连接其栅极，晶体管MP4的漏极接误差放大器的尾电流端口。

其中，V_{pwr_reg}为LDO的电压输出信号。通常选取V_fb≤2V_{thn_min}+V_dsat-Δ_V，其中Δ_V一般取100mv～200mv，Vfb的取值范围确保了晶体管MN5正常条件下不导通。晶体管MN1，MN2，MN3选取合适的参数，使得晶体管MN4正常工作条件下不导通。在LDO输出电压稳定的条件下，流过MN6、MN7的偏置电流为

当检测到本LDO输出电压上升，Vfb增加，MN5导通，此时主偏置支路中R2被并联，此时偏置电流变为（R_ds5为晶体管MN5的漏源等价阻抗，“||”符号表示器件并联），因为R2取值兆欧以上，而R1则在几十K，所以动态偏置电流也会实现几倍到几十倍的增加，同样瞬态响应速度也会实现近似同比例的增加。当检测到LDO输出电压下降，Vfb下降，MP2导通能力增加，MN4栅极电压瞬间增加，从而MN4导通，此时主偏置支路中R2被并联，此时偏置电流变为

（R_ds4为晶体管MN4的漏源等价阻抗，“||”符号表示器件并联），整个LDO响应速度同样实现类似比例的增加。

以上实施例提供的低压差线性调节器在经典LDO架构基础上增加少许器件实现了低功耗，快速瞬态响应的电气特性。主要体现在：直接利用输出反馈电压信号来动态地调整偏置电流，在误差放大器开始响应的同时提高偏置电流，使得在无片外电容的应用条件下，环路瞬态响应达到非常快的速度。而典型静态功耗只有几个微安（包括基准在内的整体功耗），完全满足射频标签和植入医疗器件等的需要。

Claims (5)

1.一种无输出滤波电容超低功耗低压差线性调节器，包括：由带隙基准电压生成模块、误差放大器、功率管MP5、反馈网络构成的经典低压差线性调节器；其特征在于，还包括：

环路补偿电容Cc1、Cc2，电容Cc1连接在调节器的电压输出端与功率管MP5的栅极之间；电容Cc2连接在调节器的电压输出端与误差放大器的“-”输入端之间；

摆率检测电路，实时监测调节器的输出电压的变化，当检测到输出电压的变化时，输出一个控制信号到动态偏置放大电路；

动态偏置放大电路，根据所述控制信号动态地调整误差放大器的偏置电流；误差放大器尾电流生成电路，连接在所述动态偏置放大电路与误差放大器的尾电流端口之间。

2.根据权利要求1所述的低压差线性调节器，其特征在于，所述反馈网络主要由反馈电阻R3、R4构成，电阻R3、R4的节点为送到误差电压放大器采样值的采样点。

3.根据权利要求1所述的低压差线性调节器，其特征在于，所述摆率检测电路及动态偏置放大电路由直流电流源I_bias，I_bias1，直流电压源V_dc，晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MN6、晶体管MN7、电阻R1、电阻R2构成；晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接电压源V_dc及晶体管MN4的栅极；晶体管MN4的栅极连接电压源V_dc，源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电流源I_bias1；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的源极、晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6的源极、晶体管MN7的源极接地，电阻R1，R2连接在VDD与MN6漏极之间；晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路。

4.根据权利要求1所述的低压差线性调节器，其特征在于，所述摆率检测电路及动态偏置放大电路由直流电流源I_bias、晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7，及电阻R1、R2构成；晶体管MP1的源极连接电流源I_bias，栅极接地，漏极连接晶体管MP2的源极；晶体管MP2的栅极连接输出电压的分压信号Vfb，漏极连接晶体管MN1的源极及晶体管MN4的栅极；晶体管MN1的源极连接晶体管MN2的漏极，晶体管MN2的源极连接晶体管MN3的漏极，晶体管MN3的源极接地；晶体管MN1、MN2、MN3的栅极彼此连接并同时连接晶体管MN4的栅极，晶体管MN4的源极与晶体管MN5的源极连接并进而连接电阻R1和R2的节点；晶体管MN5的栅极接输出电压的分压信号Vfb，晶体管MN4的源极和晶体管MN5的源极连接同时连接晶体管MN6的漏极及晶体管MN6和MN7的栅极；晶体管MN6、MN7的源极接地，电阻R1，R2串接在VDD与MN6漏极之间；晶体管MN7的漏极连接误差放大器尾电流生成电路。

5.根据权利要求3或4所述的低压差线性调节器，其特征在于，所述误差放大器尾电流生成电路由晶体管MP3、MP4构成，晶体管MP3、MP4的源极连接VDD，栅极同时连接晶体管MN7的漏极，晶体管MP3的漏极连接其栅极，晶体管MP4的漏极接误差放大器的尾电流端口。

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