專利名稱：一種低壓差線性穩(wěn)壓器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電源管理技術領域，具體涉及一種低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO，LowDropout Regulator)的設計。
背景技術：
低壓差線性穩(wěn)壓器能夠為模擬電路和射頻電路等噪聲敏感提供低輸出紋波的電 源，而且結構相對簡單，外圍元器件少，因而被廣泛應用于片上系統(tǒng)芯片中。多數應用中，需要給每個電路模塊的旁邊放一個不掛載有輸出電容的LD0，這樣對每個電路模塊電源供電的優(yōu)化能夠帶來系統(tǒng)整體性能的提高。傳統(tǒng)的LDO如圖I所示，其中，VREF為基準電路產生的基準電壓，EA為誤差放大器，MP為PMOS輸出調整管，Rl和R2為反饋電阻，RL、CL分別為輸出電阻和電容。該電路通過誤差放大器和輸出調整管的負反饋來穩(wěn)定輸出電壓V0UT。對于圖I所示的傳統(tǒng)LDO電路，當負載發(fā)生瞬變(ns級)時，有兩種機制來穩(wěn)定輸出電壓一是通過大的負載電容CL來提供負載瞬變時所需的瞬態(tài)電流,從而穩(wěn)定輸出電壓，采用大的負載電容將增加芯片的面積，提高了成本；二是通過反饋環(huán)路調整P型調整管的柵源電壓Ves響應負載瞬變，為了達到快速響應，環(huán)路必須有較大的帶寬。對于為數字電路供電的線性穩(wěn)壓器，由于負載電流變化很快且幅值較大，要求LDO有快速的環(huán)路響應速度，而精度要求相對不高。目前，學術界也提出了許多提高LDO瞬態(tài)響應的方案，比如采用buffer級拓展帶寬，采用快慢雙環(huán)控制結構提高相應速度等。但是這些方案存在的缺陷是電路結構比較復雜，且增加了額外的功耗。

實用新型內容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的低壓差線性穩(wěn)壓器響應速度存在的缺陷，提出了一種低壓差線性穩(wěn)壓器。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案是一種低壓差線性穩(wěn)壓器，包括誤差放大器、第一阻抗單元、第二阻抗單元和采樣網絡，其特征在于，還包括一 N型調整管、電源欠壓比較器、第一 PMOS管和第二 PMOS管，其中，誤差放大器的正向輸出端接第一基準電壓，輸出端接N型調整管的柵極；N型調整管的漏極接外部電源，源極作為線性穩(wěn)壓器的輸出端；第一阻抗單元的一端接線性穩(wěn)壓器的輸出端，另一端接誤差放大器的負向輸入端和第二阻抗單元的一端，第二阻抗單元的另一端接地；第一 PMOS管的源極接外部電源，漏極接N型調整管的柵極，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；第二 PMOS管的源極接外部電源，漏極接線性穩(wěn)壓器的輸出端，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；電源電壓欠壓比較器的負向輸入端接第二基準電壓，正向輸入端接采樣網絡的輸出端；采樣網絡的輸入端接外部電源。本實用新型的有益效果本實用新型的低壓差線性穩(wěn)壓器利用N型調整管代替P型調整管，使負載跳變直接反映到調整管的柵源電壓，無需經過反饋環(huán)路，實現(xiàn)對負載變化的快速響應；同時由于采用N型調整管的LDO壓降較大，會影響LDO的效率等性能，本實用新型又借助電源欠壓比較器，解決了電源供電不足的問題。

圖I為現(xiàn)有的LDO電路結構示意圖。圖2為本實用新型的LDO基本結構 示意圖。圖3為本實用新型實施例的LDO —種實現(xiàn)方式的結構示意圖。圖4為本實用新型實施例的LDO另ー種實現(xiàn)方式結構示意圖。圖5為本實用新型的LDO瞬態(tài)仿真波形圖。圖6為本實用新型的電源欠壓比較器仿真波形圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施方式對本實用新型作進ー步的闡述。本實用新型的LDO基本結構示意圖如圖2所示，具體包括誤差放大器、第一阻抗単元RFl、第二阻抗單元RF2和采樣網絡，還包括一 N型調整管ΜΝ0、電源欠壓比較器、第一PMOS管MPl和第二 PMOS管MP2，其中，誤差放大器的正向輸出端接第一基準電壓VREFl，輸出端接N型調整管的柵極；N型調整管的漏極接外部電源VDD，源極作為線性穩(wěn)壓器的輸出端；第一阻抗單元RFl的一端接線性穩(wěn)壓器的輸出端，另一端接誤差放大器的負向輸入端和第二阻抗單元RF2的一端，第二阻抗單元RF2的另一端接地；第一PMOS管MPl的源極接外部電源，漏極接N型調整管MNO的柵極，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；第二 PMOS管MP2的源極接外部電源VDD，漏極接線性穩(wěn)壓器的輸出端，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；電源電壓欠壓比較器的負向輸入端接第二基準電壓VREF2，正向輸入端接采樣網絡的輸出端；采樣網絡的輸入端接外部電源VDD。這里，誤差放大器用于調節(jié)N型調整管MNO的柵極電壓；N型調整管MNO的輸出電路用于驅動負載；電源電壓欠壓比較器用于解決由于采用N型調整管的LDO DROPOUT電壓較大帶來的電源供電不足的問題，電源電壓欠壓比較器可以采用常規(guī)的比較器結構。圖3給出了 LDO —種實現(xiàn)方式的結構示意圖，這里的第一阻抗單元RF1、第二阻抗単元RF2分別為第一電阻R1、第二電阻R2。圖4給出了 LDO另ー種實現(xiàn)方式的結構示意圖，這里的第一阻抗單元RF1、第二阻抗單元RF2可以通過ニ極管形式連接的PMOS管實現(xiàn)，具體的可以通過四個ニ極管形式連接的卩1 5管1^11、1^12、1^13和1^14來實現(xiàn)，具體連接關系為MP11的源極作為第一阻抗單元的一端，MPll的漏極和柵極接MP12的源極，MP12的漏極和柵極接MP13的源極，MP13的漏極和柵極相連接作為第一阻抗單元的另一端，MP14的源極接第二阻抗單元的一端，MP14的漏極和柵極相連接作為第二阻抗單元的另一端。圖4也給出了采樣網絡的ー種實現(xiàn)方式，具體為采樣網絡包括第三電阻R3和第四電阻R4，其中，第三電阻R3的一端作為采樣網絡的輸入端，另一端作為采樣網絡的輸出端并且與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端接地。本實用新型的低壓差線性穩(wěn)壓器的工作原理為當輸入電壓比較高時，若輸出負載穩(wěn)定，LDO的輸出電壓由誤差放大器環(huán)路控制，環(huán)路的反饋電壓VFb等于基準電壓VREFl。[0023]當輸出負載由輕負 載變?yōu)橹刎撦d時，輸出電壓下降，即N型調整管MNO的源極電壓下降，進而其柵源電壓Ves升高，同時，通過誤差放大器的反饋環(huán)路，使N型調整管MNO的柵極電壓升高，進ー步使其柵源電壓Ves升高，使調整管MNO輸出電流快速増加，以提供負載由輕負載跳變?yōu)橹刎撦d所需的瞬態(tài)電流，使輸出電壓能夠快速的恢復穩(wěn)定。當輸出負載由重負載變?yōu)檩p負載時，輸出電壓上升，即N型調整管MNO的源極電壓上升，進而其柵源電壓Ves下降，通過誤差放大器的反饋環(huán)路，使N型調整管MNO的柵極電壓下降，進ー步使其柵源電壓Ves降低，使調整管MNO輸出電流快速減小，使輸出電壓快速的恢復穩(wěn)定。當輸入電壓較高時，電源采樣電壓LD0_SW高于基準電壓VREF2，電源欠壓比較器的輸出端為高電平，MPl和MP2處于關斷狀態(tài)；當電源電壓與LDO輸出電壓的差值小于N型調整管MNO上的壓降時，采樣電壓LD0_SW低于基準電壓VREF2，電源欠壓比較器輸出為低電平，MPI和MP2導通。MPl導通，將N型調整管MNO的柵極電壓拉高，使誤差放大器輸出保持，當電源電壓恢復后，誤差放大器不需要重新啟動就能立即進入工作狀態(tài)；MP2導通，提供額外的供電支路，使輸出穩(wěn)定在VOUT = VDD-IloadXRon(1-1)其中，ら-是負載電流，RmiMP2的導通電阻。VREFl與VREF2均為外部基準電路提供的基準電壓，具體大小可以根據設計要求確定。如圖5所示，LDO的瞬態(tài)仿真波形圖，負載發(fā)生瞬變，輸出電壓的峰值跳變約500mV，響應時間約500ns，從圖中可以看出，本實用新型的LDO的瞬態(tài)特性很好，具有快速的負載響應能力。如圖6所示，電源欠壓比較器的仿真波形圖，其中，實線的VOUT表示的是VDD上升時的仿真結果，虛線表示的是VDD下降時的仿真結果，從圖中可以看出，遲滯空間約O. 5V,比較器能有效的解決電源供電不足的問題。綜上可以看出，本實用新型的低壓差線性穩(wěn)壓器采用N型調整管代替P型調整管，使負載跳變直接反映到調整管的柵源電壓，用以控制輸出電流來穩(wěn)定輸出電壓，無需經過反饋環(huán)路，實現(xiàn)對負載變化的快速響應；采用了電源欠壓保護電路，有效的解決了由于采用N型調整管的LDO壓降較大帶來的電源供電不足的問題。此外，本實用新型的線性穩(wěn)壓器結構簡單，還避免了 LDO的輸出需要外接大電容的需求。本實用新型的線性穩(wěn)壓器可以用于為模擬或數模混合集成電路中的數字電路部分供電。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種低壓差線性穩(wěn)壓器，包括誤差放大器、第一阻抗單元、第二阻抗單元和采樣網絡，其特征在于，還包括一 N型調整管、電源欠壓比較器、第一 PMOS管和第二 PMOS管， 其中，誤差放大器的正向輸出端接第一基準電壓，輸出端接N型調整管的柵極；N型調整管的漏極接外部電源，源極作為線性穩(wěn)壓器的輸出端；第一阻抗單元的一端接線性穩(wěn)壓器的輸出端，另一端接誤差放大器的負向輸入端和第二阻抗單元的一端，第二阻抗單元的另一端接地；第一 PMOS管的源極接外部電源，漏極接N型調整管的柵極，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；第二 PMOS管的源極接外部電源，漏極接線性穩(wěn)壓器的輸出端，柵極接電源欠壓比較器的輸出端；電源電壓欠壓比較器的負向輸入端接第二基準電壓，正向輸入端接采樣網絡的輸出端；采樣網絡的輸入端接外部電源。
2.根據權利要求I所述的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述的第一阻抗單元、第二阻抗單元分別為第一電阻、第二電阻。
3.根據權利要求I所述的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述的第一阻抗單元、第二阻抗單元具體通過二極管形式連接的PMOS管實現(xiàn)。
4.根據權利要求3所述的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述的第一阻抗單元、第二阻抗單元具體通過四個二極管形式連接的PMOS管MP11、MP12、MP13和MP14來實現(xiàn)，具體連接關系為=MPll的源極作為第一阻抗單元的一端，MPll的漏極和柵極接MP12的源極，MP12的漏極和柵極接MP13的源極，MP13的漏極和柵極相連接作為第一阻抗單元的另一端，MP14的源極接第二阻抗單元的一端，MP14的漏極和柵極相連接作為第二阻抗單元的另一端。
5.根據權利要求I至4任一所述的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述的采樣網絡包括第三電阻和第四電阻，其中，第三電阻的一端作為采樣網絡的輸入端，另一端作為采樣網絡的輸出端并且與第四電阻的一端相連，第四電阻的另一端接地。
專利摘要本實用新型屬于電源管理技術領域，公開了一種低壓差線性穩(wěn)壓器，具體包括誤差放大器、第一阻抗單元、第二阻抗單元和采樣網絡，其特征在于，還包括一N型調整管、電源欠壓比較器、第一PMOS管和第二PMOS管。本實用新型的低壓差線性穩(wěn)壓器利用N型調整管代替P型調整管，使負載跳變直接反映到調整管的柵源電壓，無需經過反饋環(huán)路，實現(xiàn)對負載變化的快速響應；同時由于采用N型調整管的LDO壓降較大，會影響LDO的效率等性能，又借助電源欠壓比較器，解決了電源供電不足的問題。
文檔編號G05F1/56GK202362691SQ201120511608
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2011年12月9日
發(fā)明者代高強, 劉焱, 周澤坤, 張波, 明鑫 申請人:電子科技大學