CN203745942U - 一种小面积和超低噪声的ldo线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电源管理领域，尤其是涉及一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器。包括两级调整模块，分别是：前级预调整模块和后级调整模块；所述前级预调整模块包括依次连接的误差放大器、电阻分压网络和RC低通滤波器；所述后级调整模块包括后级误差放大器、PMOS调整管；前级预调整模块的输出与后级调整模块的输入连接；所述后级调整模块输入连接负载电流源。本实用新型只需要使用很小的电容就可以保证低通滤波电路具有很低的截止频率，从而将来自于基准电压源的噪声过滤掉，使转换后得到的电压能够超低噪声输出，同时在很大程度上减小了芯片面积和改善了电路的噪声性能，同时能够产生很高的电源抑制比。
Description
技术领域
本实用新型属于电源管理领域，尤其是涉及一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器。
背景技术
随着集成电路技术的发展，芯片系统的集成度和工作频率不断的升高，这样就导致了芯片功耗的不断升高，而高功耗带来的各种问题会严重影响芯片的性能。因而，对一个芯片系统而言，电源管理部分的好坏很大程度上决定了整个系统的性能。
LDO线性稳压器的芯片具有面积小、噪声低、静态电流小、外围器件也少等优点，使其广泛应用于便携式电子产品中。它不仅可以作为独立的电源管理芯片为各种便携式电子产品供电，更能够与DC-DC开关式电源结合，将二者的优点充分发挥，为顾客提供高效率且低噪声的供电系统。然而，目前的电源管理芯片市场主要被国外公司占据，国内的发展尚处于刚刚起步阶段，因此开发具有自主知识产权的LDO线性稳压器具有很大的意义。
便携式产品的体积在不断缩小，成本也在不断降低，在保证性能的前提下，体积更小、成本更低、性能更好的产品必然更具竞争力。如何使LDO线性稳压器集成电路的封装尺寸越来越小、封装厚度越来越薄、噪声越来越小具有深远意义。
实用新型内容
本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种电容放大电路来减小使用的电容面积从而减小芯片的面积，并且在使用该小电路的情况下就能够实现LDO线性稳压器的超低噪声输出，极大的减小了芯片面积和改善了电路的噪声性能，同时能够产生很高的电源抑制比的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，其特征在于，包括两级调整模块，分别是：前级预调整模块和后级调整模块；所述前级预调整模块包括依次连接的误差放大器、电阻分压网络和RC低通滤波器；所述后级调整模块包括后级误差放大器、PMOS调整管；前级预调整模块的输出与后级调整模块的输入连接；所述后级调整模块输入连接负载电流源。
本实用新型创造性的在基准电压比较输出后使用了噪声滤波电路，将通过基准电压源后的噪声大部分的滤除，从而可以实现装置的超低噪声输出。一般的普通电路中由于所选频带的关系，为了使滤波效果更好，要求使用的滤波电容很大，这就增加的芯片的使用面积，在工程生产上难以实现。本结构则克服了该困难，仅使用很小的电容就可以达到同样的性能，从而极大的减少了芯片的占有面积，使工程生产变得可行。
本实用新型所提电路的结构是在0.18um的工艺结构下实现的。根据电路的仿真结果，当该LDO线性稳压器装置选用滤波电容大小为5pF时，在10Hz-1KHz的所选频带内能够达到25.5uV的输出噪声性能，在1KHz-1MHz的所选频带内能够达到56.4uV的输出噪声性能。同时，仿真结果表明该LDO线性稳压器装置的电源抑制比PSR在所选频带为10Hz-1MHz范围内至少可以达到-30dB，而在低频处则可以达到-70dB。
在上述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，所述误差放大器的负相端接的是基准电压Vref,正相端接在电阻分压网络的电阻R1和电阻R2之间,其中电阻R1和电阻R2串联，电阻R1一端接PMOS调整管，另一端接电阻R2，电阻R2一端接电阻R1，另一端接地。误差放大器的输出端接有RC低通滤波器。
在上述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，所述RC低通滤波器包括电阻R和电容放大电路；所述电容放大电路包括小电容Cm、跨导为-Gm的跨导放大器以及电阻Rm；其中，电阻R接误差放大器输出，电阻R另一端与跨导放大器相连，电容Cm与跨导放大器并联后接电阻Rm，电阻Rm另一端与电阻R2连接后接地。通过此放大电路，可以将小电容Cm放大成大电容，与电阻R组成RC低通滤波器。
在上述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，所述后级误差放大器的负相端接的是经过低通滤波之后的前级预调整结构的输出，正相端与PMOS调整管的漏极相连为系统输出，后级误差放大器的输出端接的是PMOS调整管的栅端。PMOS调整管的栅极与后级误差放大器的输出相连，源端接电源，漏端接负载电流源；负载电流源为模拟等效负载电流。
因此，本实用新型具有如下优点：（1）电路结构中采用了两级基准源比较电路使基准电压更加精确，从而能够使输出电压的精确度显著提高；（2）前级预调整结构电路中使用了滤波电路，使来自于带隙基准源的噪声和来自电阻分压上的噪声得到了有效的抑制，从而使总的输出噪声得到减少；（3）前级预调整结构中的滤波电路使用了电容放大装置，我们只需要使用一个很小的电容通过跨导放大器放大后就能够产生和大电容相同的效果，减少了芯片面积的使用，使电路的低占有率目的得到保证；（4）预调整后输出的预调整基准电压源通过滤波电路后基本上不含噪声，与传统的LDO线性稳压器相比起来就不会导致噪声通过第二级误差放大器的放大作用，所以噪声能够得到有效的抑制；（5）第二级调整结构中没有使用电阻分压装置来采样输出电压，从而避免了输出端的电压受到电阻噪声的影响，实现了电路的超低噪声输出；（6）本文所述的LDO线性稳压器装置由于其超低噪声的输出，可以达到很高的电源抑制比，显著的改善了电压变换器的性能。
附图说明
附图1是传统的LDO线性变换器装置的电路原理图。
附图2是传统的LDO线性变换器装置的噪声分析原理图。
附图3是能够实现低噪声但是却不能够解决芯片面积过大问题的LDO线性变换器装置的电路原理图。
附图4是本实用新型所述的改进后的LDO线性变换器装置的具体电路原理图。
附图5是所述LDO线性变换器装置在10Hz-1KHz范围内采用不同大小电容的输出噪声变化的仿真结果图。
附图6是所述LDO线性变换器装置在1KHz-1MHz范围内采用不同大小电容的输出噪声变化的仿真结果图。
附图7是所述LDO线性变换器装置在10Hz-1MHz范围内其电源抑制比变化的仿真结果图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
图1所示为传统的LDO线性变换器装置的基本原理图，主要分为基准电压源（途中未给出），误差放大器、PMOS功率传输管和电阻分压器采样网络。其中基准电压源的参考电压由带隙基准给出。误差放大器的一端接入基准电压源，另一端接入电阻分压装置的采样电压，差分输入经过误差放大器后驱动PMOS功率管，当电路到达稳定状态时得到所需要的输出电压。
图2所示电路图为传统LDO线性变换器装置的噪声理论分析模型图，其中主要噪声来源于带隙基准电压源的输出噪声V2 n，BG，误差放大器的输入噪声V2 n，amp和电阻分压器中电阻产生的热噪声V2 n，R1和V2 n，R2。
图3所示的电路图为一般的改进后的LDO线性变换器装置的电路原理图，其电路分为预调整部分和调整部分两级结构。电路的预调整部分是由带隙基准缓冲器和R-C低通滤波电路组成，其中放大器的前端输入带隙基准电压源和电阻分压器R1和R2产生的采样电压，后端输出预基准电压源，通过R-C低通滤波电路的作用可以去除由带隙基准电压源和放大器产生的噪声，得到的预基准电压源作为后级电路的基准输入。电路的调整部分由误差放大器和PMOS功率驱动管组成。其中，误差放大器的前端输入为前级输出的预基准电压源和以电压跟随方式采样得到的输出电压，通过误差放大器之后驱动PMOS功率管得到所需要的输出电压。该结构中的由于前级噪声在低通滤波器的作用下得到了滤除，而后级电路中并未使用电阻分压器，故而整个电路的噪声主要来自于误差放大器，可以实现电路的超低噪声输出。但是，为了实现前级电路的噪声滤除，电路中的R-C滤波器的截止频率必须做到很低，这就要求电路所采用的电阻R和电容C必须很大，从而会导致很大的芯片面积，这显然就极大的增加工程制造的成本，因此生产上难以实现。
图4为本实用新型所述的具有小的芯片面积和超低噪声输出的LDO线性稳压器的电路原理图，与图3所述电路的主要不同之处在于R-C滤波器的设计。本实用新型在图3的基础上对滤波电路进行了改进，采用了一种电容放大的结构来减小所需要的大电容。其中，图3中的电容C由很小的电阻Rm、Cm和负的跨导放大器-Gm代替。当C的值与Rm、Cm、Gm乘积的大小大致相等时电路能够实现相同的效果。该电路中原来的大电容所占芯片面积很大，使用电容放大电路之后其芯片面积得到了很大的减少，并不会显著增加工程制造的成本，而且同时能够实现电路的超低噪声输出，使工业生产成为可能。
图5所示为本实用新型在选择不同电容大小Cm时在所选频带为10Hz-1KHz范围内的噪声测试仿真结果。由仿真图中的结果表明电路输出噪声效果会随着电容放大器增益的变大而略微增大。
图6所示为本实用新型在选择不同电容大小Cm时在所选频带为1KHz-1MHz范围内的噪声测试仿真结果。由仿真图中的结果表明电路输出噪声效果不会随着电容放大器增益的变大而发生改变。
由图5和图6的仿真结果及其所选参数可以得到一个汇总表格见表1。
表1本设计中LDO的噪声性能仿真结果
图7所示为本实用新型在所选频带为10Hz-1MHz范围内的电源抑制比PSR的测试仿真结果。由仿真图中的结果表明本实用新型在所选频带内的电源抑制比PSR至少可以达到-30dB，而在低频处则可以达到-70dB。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，其特征在于，包括两级调整模块，分别是：前级预调整模块和后级调整模块；所述前级预调整模块包括依次连接的误差放大器、电阻分压网络和RC低通滤波器；所述后级调整模块包括后级误差放大器、PMOS调整管；前级预调整模块的输出与后级调整模块的输入连接；所述后级调整模块输入连接负载电流源。
2.根据权利要求1所述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，其特征在于，所述误差放大器的负相端接的是基准电压Vref,正相端接在电阻分压网络的电阻R1和电阻R2之间,其中电阻R1和电阻R2串联，电阻R1一端接PMOS调整管，另一端接电阻R2，电阻R2一端接电阻R1，另一端接地，误差放大器的输出端接有RC低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，其特征在于，所述RC低通滤波器包括电阻R和电容放大电路；所述电容放大电路包括小电容Cm、跨导为-Gm的跨导放大器以及电阻Rm；其中，电阻R接误差放大器输出，电阻R另一端与跨导放大器相连，电容Cm与跨导放大器并联后接电阻Rm，电阻Rm另一端与电阻R2连接后接地，通过此放大电路，可以将小电容Cm放大成大电容，与电阻R组成RC低通滤波器。
4.根据权利要求3所述的一种小面积和超低噪声的LDO线性稳压器，其特征在于，所述后级误差放大器的负相端接的是经过低通滤波之后的前级预调整结构的输出，正相端与PMOS调整管的漏极相连为系统输出，后级误差放大器的输出端接的是PMOS调整管的栅端，PMOS调整管的栅极与后级误差放大器的输出相连，源端接电源，漏端接负载电流源；负载电流源为模拟等效负载电流。
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