CN2906714Y - 带有共模负反馈的低压降稳压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种带有共模负反馈的低压降稳压器电路。该低压降稳压器电路包括一个带有共模负反馈单元的误差放大器，一个驱动元件和一个补偿电路。来自驱动元件的信号作为一个输入信号提供给误差放大器，并且与另一个输入信号作比较，产生一个差值信号。该差值信号被放大并且提供给驱动元件。补偿单元中的电容给低压降稳压器提供频率补偿。共模负反馈单元合并在误差放大器内，很大程度上改进了驱动元件栅极电压的转换速率。

Description

带有共模负反馈的低压降稳压器

技术领域

本实用新型涉及稳压器，更具体的是涉及低功耗的低压降稳压器。

背景技术

当前对高性能供电电路的需求使得稳压器设备持续发展。许多低压产品，诸如移动电话、寻呼机、膝上型电脑、摄像机以及其他采用移动电池等设备，需使用低压降(LDO)稳压器。这些便携式电子应用通常需要低压降和小的静态电流来增加电池功效和电池寿命。

通常，LDO稳压器提供特定的DC稳定电压，该电压的输入与输出间的电压差较小。LDO稳压器常用于给电路提供所需电源。LDO稳压器通常有误差放大器、驱动元件(pass element)(例如晶体管)。上述两个元件串联连接。误差放大器连接到LDO稳压器的一个输入端，驱动元件连接到LDO稳压器的一个输出端。驱动元件从而能够驱动外部负载。

通常还提供反馈电路给LDO稳压器，通过分压器将经分压的输出电压反馈到误差放大器。LDO稳压器还包含有补偿电路，该补偿电路提供密勒补偿从而提高LDO稳压器的稳定性。

驱动元件还给LDO稳压器引入一个大的栅极寄生电容。LDO稳压器的瞬态响应特性很大程度上受寄生电容充放电速度(定义为转换速率)的限制。另外，存在大寄生电容会使误差放大器的频率响应产生一个有影响的极点，这就使误差放大器更难稳定。如上所述，驱动元件中的大寄生电容通常还需配置一个缓冲器，例如源极跟随器或单位增益缓冲器，将误差放大器增益级的高阻抗与大寄生电容隔离开。

传统上，在转换限制节点插入动态偏置电路从而改进瞬态响应性能。然而，插入动态偏置电路会增加LDO稳压器的复杂性，从而增加LDO频率补偿的难度，使LDO稳压器的设计变得更为复杂。

因此，需要一种设备和方法，当负载电容变化范围较大时提供稳定的输出电压和较高的转换速率以及简单的结构，同时具有低的静态功耗、较强的驱动能力及稳定性。本实用新型旨在提供这样的设备和方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有共模负反馈的低压降稳压器，更具体地说是提供一种低功耗的低压降稳压器。克服当负载电容变化范围较大时输出电压不稳定和转换速率低的问题。

在一个实施例中，本实用新型提供一种带有共模负反馈的LDO稳压器电路。LDO稳压器电路包括一个带有共模负反馈单元的误差放大器用于产生一个放大误差、一个提供输出电压以驱动至少一个外部元件的驱动元件、一个将输出电压分压的反馈电路、和一个提供补偿的补偿电路。误差放大器有一个接收参考电压的第一输入端、一个接收反馈电压的第二输入端、一个第三输入端、和一个输出端。驱动元件有一个输入端和一个输出端，驱动元件的输入端连接到误差放大器的输出端。反馈电路有一个第一端和一个第二端。反馈电路的第一端连接到驱动元件的输出端，反馈电路的第二端连接到误差放大器的第二输入端。补偿电路有一个第一端和一个第二端。补偿电路的第一端连接到驱动元件的输出端，补偿设备的第二端连接到误差放大器的第三端。

在另一个实施例中，本实用新型提供一种在带有共模负反馈的低压降稳压器电路中输出稳定电压的方法。该方法包括步骤：在误差放大器中产生一个放大电压，以放大电压驱动驱动元件，通过使用误差放大器中的共模负反馈单元增加驱动元件栅极电压的转换速率，从驱动元件获取输出电压，提供频率补偿以便稳定输出电压。

本实用新型的有益效果在于，根据上述技术方案的带有共模负反馈的低压降稳压器，将能够在负载电容变化范围较大时提供稳定的输出电压和较高的转换速率，并且结构简单、具有低的静态功耗、较强的驱动能力及稳定性。

附图说明

本实用新型的其它特性和优点将在以下详细描述并结合图示的说明中更为明显，其中：

图1所示为带有共模负反馈的低压降稳压器(LDO)的结构图。

图2所示为根据本实用新型一个实施例的图1LDO稳压器的原理图。

图3所示为图2LDO稳压器的瞬态响应的仿真图。

图4所示为根据本实用新型另一个实施例的共模负反馈单元的原理图。

图5所示为根据本实用新型再一个实施例的共模负反馈单元的原理图。

具体实施方式

本实用新型提供一种带有共模负反馈的LDO稳压器，因此当外部负载在不同条件下变化时，LDO稳压器就能快速将输出电压恢复到稳定状态。图1示意了带有共模负反馈的LDO稳压器100的结构图。稳压器100包括一个误差放大器110、一个驱动元件130、一个反馈电路140、和一个补偿电路150。稳压器100还包括一个共模负反馈单元120，通过增加并入驱动元件130的MOS晶体管栅极电压的转换速率从而加快LDO结构的瞬态响应速度。供电电压VIN分别提供给误差放大器110和驱动元件130。驱动元件130在输出端给外部负载(未示出)提供输出电压VOUT。

误差放大器110能够放大两个输入信号之间的差值，接着在输出端输出放大值。第一信号，例如一个设定参考信号VREF提供给误差放大器的反相输入端，来自反馈电路140的第二信号VFB反馈给误差放大器的同相输入端。第一信号VREF减去第二信号VFB得到差值，经误差放大器输出给驱动元件130。误差放大器110还包括一个共模负反馈单元120。共模负反馈单元120合并在误差放大器110中，能够增加驱动元件130的转换速率使得LDO稳压器100在短时间内提供稳定电压。

驱动元件130由误差放大器110的输出电压驱动以所需的输出电流为外部负载提供输出电压VOUT。当外部负载变化时，驱动元件130可以在其输出端产生稳定输出电压。反馈电路140按一定比例将输出电压分压。被分压的电压，例如VFB，反馈给误差放大器110。补偿电路150提供一个电容，该电容根据外部负载的各种情况进行频率补偿，从而使输出电压VOUT保持稳定。

图2示意了图1LDO稳压器100的示范性实施例的原理图200。稳压器200包括一个误差放大器110、一个驱动元件130、一个反馈电路140、和一个反馈电路150。误差放大器110还包括一个增强LDO稳压器结构的瞬态响应速度的共模负反馈单元120A。电源VIN提供给误差放大器110和电源轨11与接地轨12之间的驱动元件130。电流源(未示出)从输入线13提供了一个偏置电流IBIAS。旁路电路130输出电压VOUT从而驱动输出线14上的外部负载(未示出)。

在误差放大器110中，线15和线16的差分输入信号提供给PMOS晶体管21、22差分对。PMOS晶体管23和24，25和26形成两个单独的电流镜。PMOS晶体管23根据线13上的输入偏置电流IBIAS建立内部偏置电压。PMOS晶体管24通过偏置电压而被偏置。PMOS晶体管24的镜像偏置电流能够启动PMOS晶体管21和22。PMOS晶体管21和22差分对接收线15和16上的电压VREF和VFB并且开始工作。类似的，PMOS晶体管21和22可以分别启动NMOS晶体管29和30。节点A和B的电压VA和VB可以分别启动NMOS晶体管27和28。运行NMOS晶体管27就可以启动PMOS晶体管25和26形成的电流镜。PMOS晶体管26的漏极输出信号驱动驱动元件130。另外，误差放大器110还包括用于优化补偿电路150的频率补偿的电容62。

共模负反馈单元120A包括电阻41和42。电阻41连接在节点A与节点CMFB之间，电阻42连接在节点B与节点CMFB之间。电容43与电阻41并联、电容44与电阻42并联，提供进一步的频率补偿。

驱动元件130由PMOS晶体管31形成。MOS晶体管31的栅极检测线14上输出电流的变化，下面将进一步描述。最后，PMOS晶体管31提供具有驱动能力的输出电压VOUT，例如，PMOS晶体管31在线14上输出约为130mA的电流，为外部负载供电。

电阻分压器用作反馈电路140。电阻分压器包括串联的第一电阻47和第二电阻48。电阻47和48可以根据电阻47和48的不同阻值对线14上的输出电压VOUT分压，并且将一个低于VOUT的电压反馈到PMOS晶体管22的栅极。如图所示，电阻47和48实现了稳压器的反馈系统，并且可以通过选取电阻47和48的不同阻值调节反馈电压。

补偿电路150包括密勒补偿电容52。补偿电路150连接在输出电压VOUT与节点A之间。补偿电路150主要提供补偿从而利用密勒效应确保稳压器200输出电压稳定。

传统上，具有等效串联电阻(ESR)(未示出)的负载电容与外部负载并联，并且连接在稳压器的一个输出端与地之间。在该实施例中，IC定义为流过负载电容的电流，ILOAD表示流过外部负载的电流。

在瞬态情况下，若负载电流ILOAD增加，负载电容放电，给外部负载充电。因此，输出电压VOUT立刻减小，同时线16上的反馈电压VFB相应减小。结果，流过PMOS晶体管22漏极的I2增大。流过电阻42和41的电流IR流向可以与图2所示相反。因此，节点B的电压VB相对增大，节点A的电压VA相对减小。由于NMOS晶体管27的栅极连接到节点A，NMOS晶体管27的栅极电压因此也会减小。电流I27和镜像电流I26都将减小。由于NMOS晶体管28连接到节点B，NMOS晶体管28的栅极电压相应增大。NMOS晶体管栅极电压的增大使得电流I28增大。因此，PMOS晶体管31的栅极强制放电使得PMOS晶体管31的栅极电压下降。线14上的输出电流IOUT随着PMOS晶体管31的栅极电压变小而增大。从而，增大的输出电流IOUT能够对负载电容充电并且输出电压VOUT将增大。最后，输出电压VOUT可保持在一个设定值。

另外，若负载电流ILOAD减小，负载电容可以被充电，这样输出电压VOUT将增大。在瞬态情况下，线16上的反馈电压VFB按比例增大。反馈电压VFB的增大使得电流I2减小。因此，电流IR以图2中所示方向流过电阻41和42。节点A的电压相对增大，节点B的电压相对减小。由于NMOS晶体管27的栅极连接到节点A，NMOS晶体管27的栅极电压也将增大。NMOS晶体管27的栅极电压增大使得流过PMOS晶体管25漏极的电流I27增大。PMOS晶体管25和26形成的电流镜产生的镜像电流I26随着电流I27的增大而增大。节点B的电压减小会造成NMOS晶体管28的栅极电压变小。因此，电流I28也将相应减小。流过PMOS晶体管26漏极的电流I26将对PMOS晶体管31的栅极充电，这样PMOS晶体管31栅极电压就将迅速增大。因此，线14上的输出电流IOUT能够快速降至一个较小值并且负载电容得以放电。输出电压VOUT从而快速减小并且最终保持在一个设定值。因此，PMOS晶体管31的栅极电压能够根据负载电流快速变化，即驱动元件130栅极电压的转换速率显著提高。

参见图3，图3示意了图2中LDO稳压器200的瞬态响应的示范性仿真图。图3中的下冲电压表示线14上的输出电压VOUT下降。LDO稳压器200能够迅速稳定输出电压VOUT的变化，最终输出电压VOUT能够在较短时间内(例如Δtl)保持稳定值。相反的，由于外部负载变化当输出电压VOUT上冲时，LDO稳压器200迅速减小输出电压VOUT的上冲。因此，LDO稳压器200在Δt2时间内将输出电压VOUT值迅速降至另一个稳定值。

简明起见，图4和图5省略了其他实施例中LDO稳压器200的类似元件，仅对共模负反馈单元的不同结构简要描述。图4示意了根据本实用新型一个实施例的共模负反馈单元120B的原理图。共模负反馈单元120B合并在误差放大器110中并且可以代替共模负反馈单元120A。图5示意了根据本实用新型的另一个共模负反馈单元120C的原理图。共模负反馈单元120C也可以合并在误差放大器110中。图4和图5的实施例120B和120C根据类似原理实现图2共模负反馈单元120A的功能，这里就不在赘述。

图4中，共模负反馈单元120B包括电阻401和402、电感411和412、PMOS晶体管431和432、和NMOS晶体管441和442。电阻401连接到节点A，电阻402连接到节点B。PMOS晶体管432的漏极连接到节点CMFB。PMOS晶体管431的源极连接到DC输入电压VIN，PMOS晶体管431的栅极连接到节点D，PMOS晶体管431的漏极连接到NMOS晶体管441的漏极。NMOS晶体管441和442形成镜像电流。PMOS晶体管432的源极连接到DC输入电压VIN，PMOS晶体管432的栅极连接到一个设定电压，PMOS晶体管432的漏极连接到NMOS晶体管432的漏极。

参见图5，共模负反馈单元120C包括电阻402和402、电容411和412、和NMOS晶体管551。PMOS晶体管431的漏极直接接地。NMOS晶体管551的漏极和栅极连接到PMOS晶体管432的漏极，NMOS晶体管551的源极接地。NMOS晶体管的栅极连接到节点CMFB。

虽然图2中对电容CC1进行了描述，但是本领域技术人员应当认识到还可以使用其他类型的元件，例如，多晶电容或是MOS晶体管。类似的，本领域技术人员应当认识到还可以对本实用新型进行许多改造来实现反馈电路140。例如，反馈电路140中可以采用可变电阻。另外，图2中各种MOS晶体管的类型也不是固定的。本领域技术人员应当认识到本实施例还存在MOS晶体管的其他替代物。可以采用其他类型和其他组合的晶体管来实现误差放大器110和驱动元件130的功能，这些并不脱离本实用新型的精神。

本领域技术人员应当认识到对本实用新型对共模负反馈单元120还可以进行许多替代、修改和变化。所有的替代、修改和变化都不脱离本实用新型的精神。

运行中，LDO稳压器电路100接收一个DC输入信号VIN并且根据许多应用的不同需求输出一个稳定的DC电压VOUT。LDO稳压器电路100中的误差放大器110将一个参考信号VREF与从反馈电路140接收的反馈信号VFB相比较，并且在输出端提供一个放大的差值。

驱动元件130由该放大的差值驱动，驱动元件为各种负载提供稳定的输出电压和输出电流。当外部负载在某些情况下变动时，误差放大器110中的共模负反馈单元120能够迅速检测外部负载的变化。具有了共模负反馈单元120，误差放大器110能够迅速根据瞬态情况对驱动元件130的栅极进行充放电。因此，栅极的迅速充放电就大大提高了驱动元件130栅极电压的转换速率。

反馈电路140提供一个比例电压，使得LDO稳压器100形成闭合回路。有了补偿电路150，LDO稳压器100就能确保获得一个稳定的电压而所受外部负载影响较小。

在此叙述的实施例只是许多可能的实施例的其中一些，这些实施例是说明性而并非限制性的。显然，还可以实施对于本领域技术人员显而易见的其他实施例，并不脱离如附加权利要求所定义的本实用新型的精神和范围。

Claims (18)

1.一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，包括：

一个带有共模负反馈单元用于产生一个放大的误差电压的误差放大器，所述误差放大器具有一个接收参考电压的第一输入端，一个接收反馈电压的第二输入端，一个第三输入端，和一个输出端；

一个将输出电压提供给至少一个外部元件的驱动元件，所述驱动元件具有一个输入端和一个输出端，所述驱动元件的输入端连接到所述误差放大器的输出端；

一个将输出电压分压的反馈电路，所述反馈电路具有一个第一端和一个第二端，所述反馈电路的第一端连接到所述驱动元件的输出端，所述反馈电路的第二端连接到所述误差放大器的第二输入端；和

一个提供补偿的补偿电路，所述补偿电路具有一个第一端和一个第二端，所述补偿电路的第一端连接到所述驱动元件的输出端，补偿电路的第二端连接到所述误差放大器的第三端。

2.根据权利要求1所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元具有一个第一端，一个第二端和一个第三端。

3.根据权利要求2所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元包括一个具有一个第一端和一个第二端的第一电阻，一个具有一个第一端和一个第二端的第二电阻，所述第一电阻的第一端连接到所述共模负反馈单元的第一端，所述第二电阻的第二端连接到所述共模负反馈单元的第二端，并且所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接到所述共模负反馈单元的第三端。

4.根据权利要求3所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元进一步包括一个第一电容和一个第二电容，所述第一电容与所述第一电阻并联用于提供频率补偿，所述第二电容与所述第二电阻并联用于提供频率补偿。

5.根据权利要求2所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元包括一个具有一个第一端和一个第二端的第一电阻，一个具有一个第一端和一个第二端的第二电阻，一个第一PMOS晶体管，一个第二PMOS晶体管，一个第一NMOS晶体管，和一个第二NMOS晶体管。

6.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第一电阻的第一端连接到所述共模负反馈单元的第一端，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接到一个共同节点，所述第二电阻的第二端连接到所述共模负反馈单元的第二端。

7.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第一PMOS晶体管的源极连接到所述第二PMOS晶体管的源极，所述PMOS晶体管的栅极连接到所述共同节点，所述PMOS晶体管的漏极连接到所述第一NMOS晶体管的漏极。

8.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第二PMOS晶体管的栅极连接到一个设定电压，所述PMOS晶体管的漏极连接到所述共模负反馈单元的第三端。

9.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第一NMOS晶体管的栅极连接到所述第二NMOS晶体管的栅极，所述NMOS晶体管的源极接地。

10.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第二NMOS晶体管的漏极连接到所述共模负反馈单元的第三端，所述第二NMOS晶体管的源极接地。

11.根据权利要求5所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元进一步包括一个第一电容和一个第二电容，所述第一电容与第一电阻并联用于提供频率补偿，第二电容与所述第二电阻并联用于提供频率补偿。

12.根据权利要求2所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元包括一个具有第一端和一个第二端的第一电阻，一个具有第一端和第二端的第二电阻，一个PMOS晶体管，一个第一NMOS晶体管，和一个第二NMOS晶体管。

13.根据权利要求12所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第一电阻的第一端连接到所述共模负反馈单元的第一端，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接到共同节点，并且所述第二电阻的第二端连接到所述共模负反馈单元的第二端。

14.根据权利要求12所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第一PMOS晶体管的源极连接到所述第二PMOS晶体管的源极，所述第一PMOS晶体管的栅极连接到所述共同节点，并且所述第一PMOS晶体管的漏极接地。

15.根据权利要求12所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述第二PMOS晶体管的栅极连接到一个设定电压，所述第二PMOS晶体管的漏极连接到所述共模负反馈单元的第三端。

16.根据权利要求12所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述NMOS晶体管的漏极和栅极连接到共模负反馈单元的第三端，所述NMOS晶体管的源极接地。

17.根据权利要求12所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述共模负反馈单元进一步包括一个第一电容和一个第二电容，所述第一电容与所述第一电阻并联用于提供频率补偿，并且所述第二电容与所述第二电阻并联用于提供频率补偿。

18.根据权利要求1所述的一种带有共模负反馈的低压降稳压器，其特征在于，所述误差放大器进一步包括一个金属氧化物半导体晶体管用于优化补偿。

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