本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計。

背景技術(shù)：

低壓差線性穩(wěn)壓器(ldo)作為電源管理芯片中重要的一類電路，以其低噪聲、低成本、低功耗等特點被廣泛應(yīng)用于消費電子、醫(yī)療電子、航空航天等領(lǐng)域。

ldo通過放大經(jīng)輸出反饋得來的誤差信號來控制功率管，以提供輸出電流驅(qū)動負載，其本質(zhì)是根據(jù)輸出電壓來調(diào)節(jié)負載電流的壓控電流源，如圖1所示。傳統(tǒng)的片上全集成ldo(cap-lessldo)包括誤差放大器(ea)、功率管、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)、負載電容?；竟ぷ髟頌椋弘娮璺答伨W(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓，與基準(zhǔn)電壓差分放大，通過控制功率管來提供負載電流。

傳統(tǒng)片上ldo利用輕載下功率管高增益的特點，將密勒電容跨接在功率管柵漏來分離位于ea輸出的主極點和ldo輸出的次極點，以保證環(huán)路維持穩(wěn)定。若輕載電流較小，次級點向低頻靠近，則需要耗費大面積的密勒電容來分離主次極點，并且降低了環(huán)路增益帶寬積gbw。由于ea的帶寬、擺率(sr)限制，抽灌功率管柵電容需要經(jīng)過一定的延遲，這個延遲時間內(nèi)的負載電流由輸出電容承擔(dān)，造成輸出電壓undershoot較大、overshoot建立時間過長等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)片上全集成ldo(cap-lessldo)瞬態(tài)響應(yīng)過慢的問題，本發(fā)明提出一種基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器，在提升瞬態(tài)響應(yīng)速度的同時減小了密勒電容。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器，包括誤差放大器、功率管mp、密勒電容cl、第一分壓電阻rf1、第二分壓電阻rf2和補償電路，

功率管mp的柵極連接誤差放大器的輸出端，其源極連接輸入電壓vin，其漏極通過第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地gnd，所述第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點輸出反饋電壓vfb，密勒電容cl接在功率管mp的漏極和地gnd之間；

補償電路接在功率管mp的漏極和第一分壓電阻rf1與第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點之間；

所述基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器還包括跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器，跨導(dǎo)放大器的正向輸入端連接基準(zhǔn)電壓vref，其負向輸入端連接反饋電壓vfb，其輸出端連接跨阻放大器的負向輸入端和誤差放大器的負向輸入端，跨阻放大器的正向輸入端接地gnd，其輸出端接誤差放大器的正向輸入端。

具體的，所述跨導(dǎo)放大器包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4和第五pmos管mp5，

第二pmos管mp2的柵極作為所述跨導(dǎo)放大器的負向輸入端，第三pmos管mp3的柵極作為所述跨導(dǎo)放大器的正向輸入端；

第一pmos管mp1的漏極連接第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源極，其柵極接偏置電壓vbias；

第一nmos管mn1和第三nmos管mn3構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k1；第二nmos管mn2和第四nmos管mn4構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k1；

第一nmos管mn1的柵漏短接并連接第二pmos管mp2的漏極和第三nmos管mn3的柵極；第二nmos管mn2的柵漏短接并連接第三pmos管mp3的漏極和第四nmos管mn4的柵極；第五pmos管mp5的柵漏短接并連接第三nmos管mn3的漏極和第四pmos管mp4的柵極；

第四nmos管mn4和第四pmos管mp4的漏極互連并作為所述跨導(dǎo)放大器的輸出端；

第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4的源極接地gnd，第一pmos管mp1、第四pmos管mp4和第五pmos管mp5的源極接輸入電壓vin。

具體的，所述跨阻放大器包括電阻rf、第五nmos管mn5和第六pmos管mp6，

第五nmos管mn5和第六pmos管mp6的柵極互連并作為所述跨阻放大器的負向輸入端，第五nmos管mn5和第六pmos管mp6的漏極互連并作為所述跨阻放大器的輸出端，第五nmos管mn5的源極作為所述跨阻放大器的正向輸入端，第六pmos管mp6的源極接輸入電壓vin，電阻rf接在跨阻放大器的負向輸入端和輸出端之間。

具體的，所述誤差放大器包括第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12、第十三nmos管mn13、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第九pmos管mp9和第十pmos管mp10，

第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的柵極互連并作為所述誤差放大器的負向輸入端，第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的寬長比為k2；第六nmos管mn6和第九nmos管mn9的柵極互連并作為所述誤差放大器的正向輸入端，第六nmos管mn6和第九nmos管mn9的寬長比為k2；

第十pmos管mp10的柵漏短接并連接第七pmos管mp7的柵極和第十一nmos管mn11的漏極；第十nmos管mn10的柵極連接第十一nmos管mn11的柵極、第七nmos管mn7和第八pmos管mp8的漏極，其漏極連接第七nmos管mn7和第九nmos管mn9的源極；第十二nmos管mn12的柵極連接第十三nmos管mn13的柵極、第六nmos管mn6和第九pmos管mp9的漏極，其漏極連接第六nmos管mn6和第八nmos管mn8的源極；第八pmos管mp8和第九pmos管mp9的柵極接偏置電壓vbias；

第七pmos管mp7和第十三nmos管mn13的漏極互連并作為所述誤差放大器的輸出端；

第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12和第十三nmos管mn13的源極接地gnd，第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第九pmos管mp9和第十pmos管mp10的源極以及第八nmos管mn8和第九nmos管mn9的漏極接輸入電壓vin。

具體的，所述補償電路包括第十四nmos管mn14、第十五nmos管mn15、第十六nmos管mn16、第十一pmos管mp11、第十二pmos管mp12、第十三pmos管mp13和電容cz，

第十二pmos管mp12和第十六nmos管mn16的漏極互連并連接所述第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點；

第十一pmos管mp11和第十二pmos管mp12構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k4，第十一pmos管mp11的柵漏短接并連接第十二pmos管mp12的柵極和第十五nmos管mn15的漏極；第十四nmos管mn14的柵漏短接并連接第十三pmos管mp13的漏極和第十五nmos管mn15的柵極，電容cz接在所述功率管mp的漏極和第十四nmos管mn14的漏極之間，第十三pmos管mp13和第十六nmos管mn16的柵極接偏置電壓vbias；

第十一pmos管mp11、第十二pmos管mp12和第十三pmos管mp13的源極接輸入電壓vin，第十四nmos管mn14、第十五nmos管mn15和第十六nmos管mn16的源極接地gnd。

具體的，所述第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2為柵漏短接的pmos管。

本發(fā)明的工作過程為：通過跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器，將低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓的分壓電壓即vfb放大，送入到不受尾電流限制的誤差放大器的差分輸入端；同時，在低壓差線性穩(wěn)壓器輸出電壓的分壓點增加補償電路，在交流情況下灌入一股交流電流，從而引入一對零極點來補償環(huán)路。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出的低壓差線性穩(wěn)壓器通過跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器將低壓差線性穩(wěn)壓器輸出的電壓變化快速放大到誤差放大器的輸入端，實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)；引入該補償電路，不必過分增大密勒電容，強制輸出極點位于增益帶寬積gbw之外，既節(jié)省了芯片面積，又拓寬了增益帶寬積gbw，且改善了帶寬和相位裕度；實施例中的電路結(jié)構(gòu)在輕載下有著良好的環(huán)路穩(wěn)定性，重載下由于功率管mp進入了線性區(qū)，環(huán)路增益帶寬積gbw、增益均出現(xiàn)了下降。

附圖說明

圖1傳統(tǒng)cap-lessldo電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的架構(gòu)圖。

圖3本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的晶體管級電路實現(xiàn)示意圖。

圖4本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的環(huán)路零極點分布設(shè)計示意圖。

圖5本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的交流仿真曲線示意圖。

圖6本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)曲線示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例詳細描述本發(fā)明。

如圖2所示為本發(fā)明提出的基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器的架構(gòu)圖，包括誤差放大器、功率管mp、密勒電容cl、第一分壓電阻rf1、第二分壓電阻rf2和補償電路，功率管mp的柵極連接誤差放大器的輸出端，其源極連接輸入電壓vin，其漏極通過第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地gnd，第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點輸出反饋電壓vfb，密勒電容cl接在功率管mp的漏極和地gnd之間；補償電路接在功率管mp的漏極和第一分壓電阻rf1與第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點之間；基于紋波預(yù)放大的全集成低壓差線性穩(wěn)壓器還包括跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器，跨導(dǎo)放大器的正向輸入端連接基準(zhǔn)電壓vref，其負向輸入端連接反饋電壓vfb，其輸出端連接跨阻放大器的負向輸入端和誤差放大器的負向輸入端，跨阻放大器的正向輸入端接地gnd，其輸出端接誤差放大器的正向輸入端。

本實施例中跨導(dǎo)放大器ota采用經(jīng)典推挽跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4和第五pmos管mp5，第二pmos管mp2的柵極作為所跨導(dǎo)放大器的負向輸入端，第三pmos管mp3的柵極作為跨導(dǎo)放大器的正向輸入端；第一pmos管mp1的漏極連接第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源極，其柵極接偏置電壓vbias；第一nmos管mn1和第三nmos管mn3構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k1；第二nmos管mn2和第四nmos管mn4構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k1；第一nmos管mn1的柵漏短接并連接第二pmos管mp2的漏極和第三nmos管mn3的柵極；第二nmos管mn2的柵漏短接并連接第三pmos管mp3的漏極和第四nmos管mn4的柵極；第五pmos管mp5的柵漏短接并連接第三nmos管mn3的漏極和第四pmos管mp4的柵極；第四nmos管mn4和第四pmos管mp4的漏極互連并作為跨導(dǎo)放大器的輸出端；第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4的源極接地gnd，第一pmos管mp1、第四pmos管mp4和第五pmos管mp5的源極接輸入電壓vin。

本實施例中的跨阻放大器tia包括電阻rf、第五nmos管mn5和第六pmos管mp6，第五nmos管mn5和第六pmos管mp6的柵極互連并作為跨阻放大器的負向輸入端，第五nmos管mn5和第六pmos管mp6的漏極互連并作為跨阻放大器的輸出端，第五nmos管mn5的源極作為跨阻放大器的正向輸入端，第六pmos管mp6的源極接輸入電壓vin，電阻rf接在跨阻放大器的負向輸入端和輸入端之間。

本實施例中的誤差放大器包括第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12、第十三nmos管mn13、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第九pmos管mp9和第十pmos管mp10，第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的柵極互連并作為誤差放大器的負向輸入端，第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的寬長比為k2；第六nmos管mn6和第九nmos管mn9的柵極互連并作為誤差放大器的正向輸入端，第十pmos管mp10的柵漏短接并連接第七pmos管mp7的柵極和第十一nmos管mn11的漏極；第十nmos管mn10的柵極連接第十一nmos管mn11的柵極、第七nmos管mn7和第八pmos管mp8的漏極，其漏極連接第七nmos管mn7和第九nmos管mn9的源極；第十二nmos管mn12的柵極連接第十三nmos管mn13的柵極、第六nmos管mn6和第九pmos管mp9的漏極，其漏極連接第六nmos管mn6和第八nmos管mn8的源極；第八pmos管mp8和第九pmos管mp9的柵極接偏置電壓vbias；第七pmos管mp7和第十三nmos管mn13的漏極互連并作為誤差放大器的輸出端；第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12和第十三nmos管mn13的源極接地gnd，第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第九pmos管mp9和第十pmos管mp10的源極以及第八nmos管mn8和第九nmos管mn9的漏極接輸入電壓vin。

跨導(dǎo)放大器ota檢測經(jīng)過ldo輸出端分壓的反饋電壓vfb與基準(zhǔn)電壓vref的差值，抽出/灌入一股電流到跨阻放大器tia的電阻rf上，在誤差放大器ea的輸入端形成較大的差分電壓。這個電壓經(jīng)由誤差放大器ea放大后，從輸入電源vin抽取一股較大的電流，通過電流鏡鏡像到輸出級，從而確定了功率管mp柵電位，以提供相應(yīng)的負載電流il。由于本實施例中誤差放大器ea采用了動態(tài)偏置結(jié)構(gòu)，差分輸入電壓越大，則輸出的電流越大，所以采用紋波預(yù)放大的功能可以很好利用這一優(yōu)勢，從而獲得更好的動態(tài)調(diào)整性能。

環(huán)路低頻增益可計算為：

alg＝k1gmp2rfk2gmik3(ron13||rop7)gmprout(1)

其中g(shù)mp、rout分別代表功率管mp的跨導(dǎo)、輸出阻抗，k1～k3為圖3中鏡像比例，gmp2、gmi分別為跨導(dǎo)放大器ota和誤差放大器ea輸入對管跨導(dǎo)，ron13和rop7分別為誤差放大器ea輸出級第十三nmos管mn13和第七pmos管mp7的小信號等效阻抗。

本發(fā)明提出了環(huán)路補償方案，本實施例中的補償電路包括第十四nmos管mn14、第十五nmos管mn15、第十六nmos管mn16、第十一pmos管mp11、第十二pmos管mp12、第十三pmos管mp13和電容cz，第十二pmos管mp12和第十六nmos管mn16的漏極互連并連接第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2的串聯(lián)點；第十一pmos管mp11和第十二pmos管mp12構(gòu)成一對電流鏡，鏡像比為1：k4，第十一pmos管mp11的柵漏短接并連接第十二pmos管mp12的柵極和第十五nmos管mn15的漏極；第十四nmos管mn14的柵漏短接并連接第十三pmos管mp13的漏極和第十五nmos管mn15的柵極，電容cz接在功率管mp的漏極和第十四nmos管mn14的漏極之間，第十三pmos管mp13和第十六nmos管mn16的柵極接偏置電壓vbias；第十一pmos管mp11、第十二pmos管mp12和第十三pmos管mp13的源極接輸入電壓vin，第十四nmos管mn14、第十五nmos管mn15和第十六nmos管mn16的源極接地gnd。本實施例中第一分壓電阻rf1和第二分壓電阻rf2為柵漏短接的pmos管，即圖3中的mpl1和mpl2。

該補償電路在直流dc的情況下不改變fb，交流ac的情況下通過電容cz引入一股電流灌入ldo的分壓點，引入了一對零極點ωzc，分別表示為：

其中g(shù)ml表示圖3中mpl1和mpl2的跨導(dǎo)，通過引入該補償電路，可以不必使輸出極點完全處于增益帶寬積gbw之外，若參數(shù)設(shè)置合理，可以使得零點略高于增益帶寬積gbw，以補償因輸出級點進入增益帶寬積gbw所帶來的部分相位裕度，同時將該寄生極點推向高頻，與密勒補償所形成的左半平面零點相消。這樣可以不必過分增大密勒電容，強制輸出極點位于增益帶寬積gbw之外，既節(jié)省了芯片面積，又拓寬了增益帶寬積gbw。

圖4給出了本發(fā)明所提出的ldo的環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計，輕重載下有位置變化的零極點類似輕載ωpd，重載ωpd’給出。忽略中高頻零極點，僅考慮位于功率管mp柵極處的主極點ωpd、ldo輸出極點ωpo、密勒零點ωzm，以及引入補償電路后得到的中低頻下的一對零極點ωzc、ωp1。從圖中可以看到，增加補償電路后，0-db帶寬和相位裕度均會有一定改善。

圖5由實線和虛線分別給出了輕載100ua，重載100ma的ac響應(yīng)曲線，環(huán)路增益分別為78.8db，44.5db；0db帶寬分別為1.81mhz、500khz；相位裕度分別為48.2°、97.7°。由此可以看到，本發(fā)明提出的ldo在輕載下有著良好的環(huán)路穩(wěn)定性，重載下由于功率管進入了線性區(qū)，環(huán)路增益帶寬積gbw、增益均出現(xiàn)了下降。

圖6給出了本文提出的ldo瞬態(tài)響應(yīng)曲線，0.5us內(nèi)在100ua和100ma負載之間進行切換。可以看到，相對于后者，本文提出的結(jié)構(gòu)下沖undershoot在330mv內(nèi)，從而實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。