CN101727120A - 一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；该电路可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输出电压，在不增加***功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了LDO的负载响应速度。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路。
背景技术
线性稳压电路(LDO)由于具有输出电压纹波小，噪声小，静态电流小等优点广泛应用于各种模拟集成电路和混合信号集成电路中。
传统的LDO电路如图1所示，其中：VREF_GEN为基准电压产生电路，OP为运算放大器，MP1为输出调整管，RF1和RF2为反馈电阻，RL为负载电阻，CL为负载电容。该线性稳压电路工作原理描述如下：基准电压产生电路输出一个基准电压给运算放大器的负输入端，反馈电阻将输出电压按比例反馈给运算放大器的正输入端，运算放大器电路检测反馈电压和基准电压的差值，根据差值的大小调节输出调整管MP1的栅极电压，当反馈电压VFB大于基准电压VREF时，运算放大器将输出调整管的栅极电压Vc拉高，此时输出电压VOUT降低，从而使反馈电压VFB降低到基准电压VREF；当反馈电压VFB小于基准电压VREF时，运算放大器将输出调整管的栅极电压Vc拉低，此时输出电压VOUT升高，从而使反馈电压VFB升高到基准电压VREF。因此该电路通过运算放大器和调整管的负反馈来稳定输出电压VOUT，当电路工作稳定后，其输出电压的值由下式给出：
VOUT＝VREF*(RF1+RF2)/RF2
对于图1所示的LDO电路，当负载发生快速跳变(ns级)时，主要通过负载电容CL来提供负载跳变时所需的瞬态电流，从而得到稳定的输出电压。这样，该LDO电路就必须由外部提供一个uF级以上的大电容来提供良好的负载瞬态响应，因此会增加***成本。并且，外挂电容寄生电阻的大小会影响LDO电路的环路稳定性，大大增加了***设计的复杂性。如果没有外部的电容CL，当负载发生快速跳变(ns级)时，必须由负反馈环路来响应负载的跳变，这就要求整个环路带宽要大于GHz，由于输出调整管MP1为一个宽长比非常大，其栅极的寄生电容比较大，要得到GHz级的环路带宽，运算放大器的电流必须非常大，否则环路带宽的不足导致输出电压VOUT发生跳变，当输出电压VOUT的跳变超过±10％时将引起该LDO供电的***工作不正常。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提出了一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输出电压，在不增加***功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了LDO的负载响应速度。
本发明的技术实施方案如下：
一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于：包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；
还包括基准电压产生电路I3，用于提供运算放大器I0、比较器I1、比较器I2的三个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为：VRH＞VR＞VRL。
所述线性稳压电路的具体电路连接结构如下：
运算放大器I0的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VR相连，运算放大器I0的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器I0的输出端和驱动管MPR的栅极相连；
比较器I1的正输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRL相连，比较器I1的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I1的输出端和场效应管MN1的栅极相连；
比较器I2的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRH相连，比较器I2的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I2的输出端和场效应管MN2的栅极相连；
驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连；
场效应管MN1的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起；
场效应管MN2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起；
电阻RF1与运算放大器I0连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连；
驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另一端和驱动管MPR的漏极相连。
所述线性稳压电路的工作原理为：
当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈电压VFB等于基准电压VR，此时比较器I1、比较器I2的输出均为低电平，场效应管MN1和场效应管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作；
当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输出电压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器I2输出高电平，场效应管MN2导通将输出电压VOUT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压值；
当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲电压低于VRL(RF1+RF2)/RF2时，比较器I1输出高电平，场效应管MN1导通将LDO驱动管MPR的栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值；
整个LDO电路在负载从1mA跳变到100mA，再跳变到1mA，上升下降时间为100ns，输出电压的跳变峰峰值为113mV，完全满足线性电源±10％的一般要求。
电阻Rc为米勒补偿调零电阻，电容Cc为米勒补偿电容，Rc和Cc串联产生一个左半平面的零点提高LDO电路的相位裕度，该零点的值为1/(Rc*Cc)；电容Cc，通过极点***使主极点往低频移动，次主极点往高频移动，从而使运算放大器环路稳定。
本发明的优点如下：
该电路可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输出电压，在不增加***功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了LDO的负载响应速度。
附图说明
图1为传统的LDO电路
图2为本发明的电路结构示意图
图3为本发明运算放大器的一种实现原理图
图4为本发明比较器的一种实现原理图
图5为本发明LDO电路的仿真波形图
具体实施方式
如图2所示，一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；
还包括基准电压产生电路I3，用于提供运算放大器I0、比较器I1、比较器I2的三个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为：VRH＞VR＞VRL。
所述线性稳压电路的具体电路连接结构如下：
运算放大器I0的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VR相连，运算放大器I0的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器I0的输出端和驱动管MPR的栅极相连；
比较器I1的正输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRL相连，比较器I1的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I1的输出端和场效应管MN1的栅极相连；
比较器I2的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRH相连，比较器I2的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I2的输出端和场效应管MN2的栅极相连；
驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连；
场效应管MN1的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起；
场效应管MN2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起；
电阻RF1与运算放大器I0连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连；
驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另一端和驱动管MPR的漏极相连。
所述线性稳压电路的工作原理为：
当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈电压VFB等于基准电压VR，此时比较器I1、比较器I2的输出均为低电平，场效应管MN1和场效应管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作；
当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输出电压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器I2输出高电平，场效应管MN2导通将输出电压VOUT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压值；
当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲电压低于VRL(RF1+RF2)/RF2时，比较器I1输出高电平，场效应管MN1导通将LDO驱动管MPR的栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值；
电阻Rc为米勒补偿调零电阻，用于产生一个左半平面的零点，提高相位裕度，电容Cc为米勒补偿电容，用于米勒补偿，使运算放大器环路稳定。
如图3所示，所述运算放大器I0通过场效应管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16以及MN11、MN12、MN13、MN14来实现，具体方式为：MP11的源极，MP12的源极，MP13的源极，MP14的源极和电源相连；MP11的栅极，MP11的漏极，MP12的栅极和MN12的漏极相连；MP12的漏极，MP15的源极和MP16的源极相连；MP13的栅极，MP13的漏极，MP14的栅极和MN13的漏极相连；MP14的漏极和MN16的漏极相连；MN16的栅极，MN15的栅极，MN15的漏极和MP16的漏极相连；MN13的栅极，MN14的栅极，MN14的漏极和MP15的漏极相连；MN11的源极，MN12的源极，MN13的源极，MN14的源极，MN15的源极，MN16的源极和地相连；MN12的栅极，MN11的栅极和MN11的漏极相连，作为运算放大器I0的偏置电流输入；MP15的栅极为运算放大器I0的负输入端，MP16的栅极为运算放大器I0的正输入端。
如图4所示，所述比较器I1、比较器I2的结构相同，具体结构均由场效应管MP21、MP22以及MN21、MN22、MN23、MN24来实现，具体方式为：MP21的源极，MP22的源极和电源相连；MP21的漏极，MP21的栅极，MP22的栅极和MN21的漏极相连；MP22的漏极和MN22的漏极相连；MN23的漏极，MN23的栅极和MN24的栅极相连；MN23的源极，MN24的源极和地相连；MN24的漏极，MN21的源极和MN22的源极相连，MN21的栅极为比较器的正输入端，MN22的栅极为比较器的负输入端。
如图5所示，负载跳变从1mA到100mA，再跳变到1mA，上升下降时间为100ns，从仿真图中可以看出，输出电压的跳变峰峰值为113mV，完全满足线性电源±10％的一般要求。
Claims (5)
1.一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于：包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；
还包括基准电压产生电路I3，用于提供运算放大器I0、比较器I1、比较器I2的三个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为：VRH＞VR＞VRL。
2.根据权利要求1所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于具体电路连接结构如下：
运算放大器I0的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VR相连，运算放大器I0的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器I0的输出端和驱动管MPR的栅极相连；
比较器I1的正输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRL相连，比较器I1的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I1的输出端和场效应管MN1的栅极相连；
比较器I2的负输入端和基准电压产生电路I3的输出基准电压VRH相连，比较器I2的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器I2的输出端和场效应管MN2的栅极相连；
驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连；
场效应管MN1的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起；
场效应管MN2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起；
电阻RF1与运算放大器I0连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连；
驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另一端和驱动管MPR的漏极相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于其工作原理如下：
当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈电压VFB等于基准电压VR，此时比较器I1、比较器I2的输出均为低电平，场效应管MN1和场效应管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作；
当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输出电压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器I2输出高电平，场效应管MN2导通将输出电压VOUT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压值；
当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲电压低于VRL(RF1+RF2)/RF2时，比较器I1输出高电平，场效应管MN1导通将LDO驱动管MPR的栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值；
电阻Rc为米勒补偿调零电阻，用于产生一个左半平面的零点；电容Cc为米勒补偿电容，用于米勒补偿。
4.根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于：所述运算放大器I0通过场效应管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16以及MN11、MN12、MN13、MN14来实现，具体的连接方式如下：
场效应管MP11的源极，MP12的源极，MP13的源极，MP14的源极和电源相连；MP11的栅极，MP11的漏极，MP12的栅极和MN12的漏极相连；MP12的漏极，MP15的源极和MP16的源极相连；MP13的栅极，MP13的漏极，MP14的栅极和MN13的漏极相连；MP14的漏极和MN16的漏极相连；MN16的栅极，MN15的栅极，MN15的漏极和MP16的漏极相连；MN13的栅极，MN14的栅极，MN14的漏极和MP15的漏极相连；MN11的源极，MN12的源极，MN13的源极，MN14的源极，MN15的源极，MN16的源极和地相连；MN12的栅极，MN11的栅极和MN11的漏极相连，作为运算放大器I0的偏置电流输入；MP15的栅极为运算放大器I0的负输入端，MP16的栅极为运算放大器I0的正输入端。
5.根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于：所述比较器I1、比较器I2的结构相同，均由场效应管MP21、MP22以及MN21、MN22、MN23、MN24来实现，其具体的连接方式为：
MP21的源极，MP22的源极和电源相连；MP21的漏极，MP21的栅极，MP22的栅极和MN21的漏极相连；MP22的漏极和MN22的漏极相连；MN23的漏极，MN23的栅极和MN24的栅极相连；MN23的源极，MN24的源极和地相连；MN24的漏极，MN21的源极和MN22的源极相连，MN21的栅极为比较器的正输入端，MN22的栅极为比较器的负输入端。
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