CN204515576U

CN204515576U - 一种快速瞬态响应cmos低压差线性稳压器

Info

Publication number: CN204515576U
Application number: CN201520164062.6U
Authority: CN
Inventors: 韦保林; 李媛媛; 韦雪明; 徐卫林; 段吉海
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2025-03-23

Abstract

本实用新型公开一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其误差放大电路的反相输入端与基准电压Vref相连，误差放大电路的同相输入端与取样电阻电路的取样输出端Vf相连，误差放大电路的输出端经转换速率增强电路连接功率管的栅极；误差放大电路的电源正端、转换速率增强电路的电源正端和功率管的源极相连后，形成稳压器本体的输入端Vin；功率管的漏极与取样电阻的电源正端相连后，形成稳压器本体的输出端Vout；误差放大电路的电源负端、转换速率增强电路的电源负端和取样电阻的电源负端相连后，形成稳压器本体的地端GND。本实用新型具有较高的转换速率和瞬态响应。

Description

一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器

技术领域

本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器。

背景技术

随着超大规模集成电路(VLSI)的迅速发展，片上系统(SoC)越来越受到关注，尤其是电源管理方面，受到了研究者与企业的重视。为了能够对电源进行管理、稳压和降噪，在电源与电子产品之间通常需要一个稳压器。目前，常用的稳压器有低压差线性稳压器(LDO)、开关稳压器和电源管理芯片等。

低压差线性稳压器(LDO)具有提供很大范围的各种不同的电压和电流的能力,而普遍的用于为低电压的数字电路提供稳压电源。现有的低压差线性稳压器主要由误差放大电路(Error Amplifier，EA)、功率管(Powertransistor)和取样电阻组成。误差放大电路与功率管是低压差线性稳压器的核心，由取样电阻形成的反馈网络与误差放大电路和功率管组成负反馈环路。低压差线性稳压器的工作的基本原理：将取样电压(Vf)和基准电压(Vref)分别加在误差放大电路的同相和反相输入端，两者的差值经误差放大电路放大后，控制串联的功率管的压降，从而稳定输出电压(Vout)。

然而，现有的低压差线性稳压器存在负载瞬态响应速率低的问题，只能满足那些对负载调整率要求较低的数字电路的需求，而无法满足那些对负载调整率要求较高的数字电路的需求。如采用现有的低压差线性稳压器为工作在不同模式的数字电路提供稳压电源时，现有的低压差线性稳压器无法在数字电路由一种模式转换到另一种模式时，非常快的对输出负载的变化作出响应。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有低压差线性稳压器负载瞬态响应速率低的问题，提供一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其具有较高的转换速率和瞬态响应。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，包括稳压器本体，该稳压器本体包括误差放大电路、功率管、取样电阻电路和转换速率增强电路；误差放大电路的反相输入端与基准电压相连，误差放大电路的同相输入端与取样电阻电路的取样输出端相连，误差放大电路的输出端经转换速率增强电路连接功率管的栅极；误差放大电路的电源正端、转换速率增强电路的电源正端和功率管的源极相连后，形成稳压器本体的输入端；功率管的漏极与取样电阻的电源正端相连后，形成稳压器本体的输出端；误差放大电路的电源负端、转换速率增强电路的电源负端和取样电阻的电源负端相连后，形成稳压器本体的地端。

上述方案中，转换速率增强电路由场效应管M11～M16构成；场效应管M11的栅极和场效应管M12的栅极形成转换速率增强电路的输入端，其中场效应管M11的栅极接误差放大电路的有源负载端，场效应管M12的栅极接误差放大电路的输出端；场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极、场效应管M13的栅极和场效应管M14的栅极相连；场效应管M13的漏极、场效应管M14的漏极、场效应管M15的栅极和场效应管M16的栅极相连；场效应管M15的漏极和场效应管M16的漏极相连后，形成转换速率增强电路的输出端并与功率管的栅极连接；场效应管M11的源极、场效应管M13的源极和场效应管M15的源极相连，形成转换速率增强电路的电源正端；场效应管M12的源极、场效应管M14的源极和场效应管M16的源极相连，形成转换速率增强电路的电源负端。

上述稳压器本体还进一步补偿电路，该补偿电路与功率管和取样电阻电路相连。

上述方案中，补偿电路包括内部补偿电路和外部补偿电路。内部补偿电路由场效应管Ms、电阻R3和电容C1构成；场效应管Ms的栅极与功率管的栅极相连，场效应管Ms的源极与功率管的源极相连，场效应管Ms的漏极经电阻R3连接功率管的漏极；电容C1的一端连接取样电阻电路的取样输出端，电容C1的另一端连接场效应管Ms的漏极。外部补偿电路由输出电容CL和等效电阻ESR构成；输出电容CL和等效电阻ESR相串联后，其一端形成稳压器本体的输出端，另一端形成稳压器本体的地端。

上述方案中，误差放大电路由场效应管M1～M10构成；场效应管M1的栅极形成误差放大电路的反相输入端；场效应管M2的栅极形成误差放大电路的同相输入端；场效应管M1的漏极连接场效应管M3的漏极、场效应管M3的栅极和场效应管M4的栅极；场效应管M2的漏极和场效应管M4的漏极相连后，形成误差放大电路的输出端；场效应管M1的源极、场效应管M2的源极、场效应管M5的漏极和场效应管M6的漏极相连；场效应管M5的栅极、场效应管M7的栅极、场效应管M7的漏极和场效应管M10的漏极相连；场效应管M6的栅极、场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极和场效应管M9的漏极相连；场效应管M9的漏极、场效应管M9的栅极和场效应管M10的栅极相连后，形成误差放大电路的有源负载端；场效应管M3的源极、场效应管M4的源极、场效应管M9的源极和场效应管M10的源极相连后，形成误差放大电路的电源正极；场效应管M5的源极、场效应管M6的源极、场效应管M7的源极和场效应管M8的源极相连后，形成误差放大电路的电源负极。

上述方案中，取样电阻电路由相互串联的取样电阻R1和取样电阻R2构成；取样电阻R1和取样电阻R2相连端形成取样电阻电路的取样输出端；取样电阻R1的另一端形成取样电阻电路的电源正端；取样电阻R2的另一端形成取样电阻电路的电源负端。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、在误差放大电路和功率管之间加入了转换速率增强电路，能够驱动大尺寸的功率管，增大功率管的栅极输入电流，加快寄生电容的充放电速度；

2、由两级反相器构成的转换速率增强电路，能够非常快的对输出负载的变化做出响应，快速稳定输出电压，满足模式转换中负载瞬态响应速率的要求；

3、转换速率增强电路具有较大的输入阻抗和较小的输出电阻，能够减轻误差放大电路的负载效应，能够降低功率管栅极的时间常数，使低压差线性稳压器具有更高的带宽和更快的瞬态响应速度，即提高低压差线性稳压器的转换速率和瞬态响应。

4、具有很强的实用性，可广泛应用于各种电源装置中。输入电压范围大，可在1.85～5V的电压下工作。输出电压为可为0.8～2V。压差小，仅为几mV。瞬态响应好，转换速率快，当输出电流在1us内从0.01mA跳变到100mA时，输出电压变化小于1mV，转换时间为1～3us。随PVT的变化，输出电压变化小，仅约1mV。

附图说明

图1为一种低压差线性稳压器的原理框图。

图2为一种低压差线性稳压器的电路原理图。

具体实施方式

一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，如图1和2所示，其主要由误差放大电路、转换速率增强电路、功率管、取样电阻电路和补偿电路组成。误差放大电路的反相输入端与基准电压Vref相连，误差放大电路的同相输入端与取样电阻电路的取样输出端Vf相连，误差放大电路的输出端经转换速率增强电路连接功率管的栅极；误差放大电路的电源正端、转换速率增强电路的电源正端和功率管的源极相连后，形成稳压器本体的输入端Vin；功率管的漏极与取样电阻的电源正端相连后，形成稳压器本体的输出端Vout；误差放大电路的电源负端、转换速率增强电路的电源负端和取样电阻的电源负端相连后，形成稳压器本体的地端GND。补偿电路与功率管和取样电阻电路相连。

上述误差放大电路是由场效应管M1～M10构成双端输入、单端输出的误差放大电路。误差放大器采用简单的差分运算放大器，其作用是放大取样电压和基准电压Vref的差值，提高输入电压范围。

场效应管M1的栅极形成误差放大电路的反相输入端；场效应管M2的栅极形成误差放大电路的同相输入端；场效应管M1的漏极连接场效应管M3的漏极、场效应管M3的栅极和场效应管M4的栅极；场效应管M2的漏极和场效应管M4的漏极相连后，形成误差放大电路的输出端；场效应管M1的源极、场效应管M2的源极、场效应管M5的漏极和场效应管M6的漏极相连；场效应管M5的栅极、场效应管M7的栅极、场效应管M7的漏极和场效应管M10的漏极相连；场效应管M6的栅极、场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极和场效应管M9的漏极相连；场效应管M9的漏极、场效应管M9的栅极和场效应管M10的栅极相连后，形成误差放大电路的有源负载端；场效应管M3的源极、场效应管M4的源极、场效应管M9的源极和场效应管M10的源极相连后，形成误差放大电路的电源正极；场效应管M5的源极、场效应管M6的源极、场效应管M7的源极和场效应管M8的源极相连后，形成误差放大电路的电源负极。

场效应管M1和M2为误差放大电路的差分输入对，场效应管M1的栅极为误差放大电路的反相输入端，输入基准电压Vref；场效应管M2的栅极为误差放大电路的同相输入端，输入采样电压Vf。场效应管M3和M4构成的电流镜作为误差放大电路的有源负载。场效应管M5和M6为误差放大电路提供恒定的偏置电流。场效应管M7～M10为电流镜构成的偏置电路。

上述转换速率增强电路由场效应管M11～M16构成，其主要目的是驱动大尺寸的功率管，增大功率管的栅极输入电流，加快寄生电容的充放电速度。场效应管M11的栅极和场效应管M12的栅极形成转换速率增强电路的输入端，其中场效应管M11的栅极接误差放大电路的有源负载，场效应管M12的栅极接误差放大电路的输出端；场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极、场效应管M13的栅极和场效应管M14的栅极相连；场效应管M13的漏极、场效应管M14的漏极、场效应管M15的栅极和场效应管M16的栅极相连；场效应管M15的漏极和场效应管M16的漏极相连后，形成转换速率增强电路的输出端并与功率管的栅极连接；场效应管M11的源极、场效应管M13的源极和场效应管M15的源极相连，形成转换速率增强电路的电源正端；场效应管M12的源极、场效应管M14的源极和场效应管M16的源极相连，形成转换速率增强电路的电源负端。

场效应管M12为源极跟随器，场效应管M12的栅极接误差放大电路的输出端，将取样电压和基准电压Vref的差值再次放大。场效应管M11的栅极接电流镜场效应管M9和M10的栅极。场效应管M11为场效应管M12提供偏置电流并作为场效应管M12的有源负载。场效应管M13和M14与场效应管M15和M16为两对串联的两级反相器，其中场效应管M13和M14为前一级反相器，场效应管M15和M16为后一级反相器，两级反相器的输入端接场效应管M12的漏极输出端，两级反相器的输出接功率管的栅极。

当低压差线性稳压器输出电压Vout升高时，场效应管M11工作在饱和区，场效应管M12工作在线性区，通过场效应管M12的电流动态地增加，场效应管M11和M12的输出电压V1近似为电源电压。场效应管M13和M14构成的前一级反相器的输出电压V2近似为零，场效应管M15和M16构成的后一级反相器的输出电压V3近似为电源电压。场效应管M13和M16截止，场效应管M14和M15导通。由于场效应管M15的栅源电压近似为电源电压，场效应管M15会产生大电流来驱动功率管。同理，当低压差线性稳压器的输出电压Vout降低时，场效应管M11和M12的输出电压V1近似为零，场效应管M13和M14构成的前一级反相器的输出电压V2近似为电源电压，场效应管M15和M16构成的后一级反相器的输出电压V3近似为零。场效应管M14和M15截止，场效应管M13和M16导通。由于场效应管M13的栅源电压近似为电源电压，场效应管M13会产生大电流来驱动功率管。可见，不管低压差线性稳压器的输出电压Vout升高或降低时，转换速率增强电路都会产生大电流来驱动功率管，增加功率管的栅极输入电压，加快功率管寄生电容的充放电，确保输出电压变化时能快速达到稳定，减小转换时间，加快转换速率。

上述取样电阻电路由相串联的取样电阻R1和R2构成，其主要作用获得取样电压。取样电阻R1和取样电阻R2相连端形成取样电阻电路的取样输出端Vf；取样电阻R1的另一端形成取样电阻电路的电源正端；取样电阻R2的另一端形成取样电阻电路的电源负端。

上述补偿电路由内部补偿电路和外部补偿电路构成，其主要采用零极点补偿的方法抵消主极点，提高稳定性。内部补偿电路由场效应管Ms、电阻R3和电容C1构成；场效应管Ms的栅极与功率管的栅极相连，场效应管Ms的源极与功率管的源极相连，场效应管Ms的漏极经电阻R3连接功率管的漏极；电容C1的一端连接取样电阻电路的取样输出端Vf，电容C1的另一端连接场效应管Ms的漏极。外部补偿电路由输出电容CL和等效电阻ESR构成；输出电容CL和等效电阻ESR相串联后，其一端形成稳压器本体的输出端Vout，另一端形成稳压器本体的地端GND。由于低压差线性稳压器中存在反馈网络，会出现两个极点，一个在输出端由电阻和电容构成的主极点，一个由误差放大电路输出端的等效电阻和功率管的米勒电容构成的次极点，因此采用补偿电路来抵消输出端的主极点，能够有效提高低压差线性稳压器的稳定性。

当LDO的输出电压Vout升高时，反馈网络将输出电压的一部分反馈到误差放大电路的同相端，通过和输入误差放大电路反相端的基准电压Vref进行比较，两者差值增加，误差放大电路的输出电压减小，从而使串联的功率管的栅极电压减小，功率管的输出电流减小，最终拉低输出电压；相反，当LDO的输出电压Vout降低时，误差放大电路的输出电压随之升高，从而增大功率管的栅极电压，增大功率管的输出电流，最终抬升输出电压。

Claims

1.一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，包括稳压器本体，该稳压器本体包括误差放大电路、功率管和取样电阻电路，其特征在于：该稳压器本体还进一步包括转换速率增强电路；误差放大电路的反相输入端与基准电压相连，误差放大电路的同相输入端与取样电阻电路的取样输出端相连，误差放大电路的输出端经转换速率增强电路连接功率管的栅极；误差放大电路的电源正端、转换速率增强电路的电源正端和功率管的源极相连后，形成稳压器本体的输入端；功率管的漏极与取样电阻的电源正端相连后，形成稳压器本体的输出端；误差放大电路的电源负端、转换速率增强电路的电源负端和取样电阻的电源负端相连后，形成稳压器本体的地端。

2.根据权利要求1所述的一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其特征在于：转换速率增强电路由场效应管M11～M16构成；场效应管M11的栅极和场效应管M12的栅极形成转换速率增强电路的输入端，其中场效应管M11的栅极接误差放大电路的有源负载端，场效应管M12的栅极接误差放大电路的输出端；场效应管M12的漏极、场效应管M11的漏极、场效应管M13的栅极和场效应管M14的栅极相连；场效应管M13的漏极、场效应管M14的漏极、场效应管M15的栅极和场效应管M16的栅极相连；场效应管M15的漏极和场效应管M16的漏极相连后，形成转换速率增强电路的输出端并与功率管的栅极连接；场效应管M11的源极、场效应管M13的源极和场效应管M15的源极相连，形成转换速率增强电路的电源正端；场效应管M12的源极、场效应管M14的源极和场效应管M16的源极相连，形成转换速率增强电路的电源负端。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其特征在于：该稳压器本体还进一步补偿电路，该补偿电路与功率管和取样电阻电路相连。

4.根据权利要求3所述的一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其特征在于：补偿电路包括内部补偿电路和外部补偿电路；

内部补偿电路由场效应管Ms、电阻R3和电容C1构成；场效应管Ms的栅极与功率管的栅极相连，场效应管Ms的源极与功率管的源极相连，场效应管Ms的漏极经电阻R3连接功率管的漏极；电容C1的一端连接取样电阻电路的取样输出端，电容C1的另一端连接场效应管Ms的漏极；

外部补偿电路由输出电容CL和等效电阻ESR构成；输出电容CL和等效电阻ESR相串联后，其一端形成稳压器本体的输出端，另一端形成稳压器本体的地端。

5.根据权利要求1或2所述的一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其特征在于：误差放大电路由场效应管M1～M10构成；场效应管M1的栅极形成误差放大电路的反相输入端；场效应管M2的栅极形成误差放大电路的同相输入端；场效应管M1的漏极连接场效应管M3的漏极、场效应管M3的栅极和场效应管M4的栅极；场效应管M2的漏极和场效应管M4的漏极相连后，形成误差放大电路的输出端；场效应管M1的源极、场效应管M2的源极、场效应管M5的漏极和场效应管M6的漏极相连；场效应管M5的栅极、场效应管M7的栅极、场效应管M7的漏极和场效应管M10的漏极相连；场效应管M6的栅极、场效应管M8的栅极、场效应管M8的漏极和场效应管M9的漏极相连；场效应管M9的漏极、场效应管M9的栅极和场效应管M10的栅极相连后，形成误差放大电路的有源负载端；场效应管M3的源极、场效应管M4的源极、场效应管M9的源极和场效应管M10的源极相连后，形成误差放大电路的电源正极；场效应管M5的源极、场效应管M6的源极、场效应管M7的源极和场效应管M8的源极相连后，形成误差放大电路的电源负极。

6.根据权利要求1或2所述的一种快速瞬态响应CMOS低压差线性稳压器，其特征在于：取样电阻电路由相互串联的取样电阻R1和取样电阻R2构成；取样电阻R1和取样电阻R2相连端形成取样电阻电路的取样输出端；取样电阻R1的另一端形成取样电阻电路的电源正端；取样电阻R2的另一端形成取样电阻电路的电源负端。