CN102063146A - 自适应频率补偿低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管（PM0），第一反馈电阻（R1）、第二反馈电阻（R2）、片外电容（C0）、键合线电阻(CL）。其中第二级缓冲电路可根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。本发明相对于传统的低压差线性稳压器具有环路带宽大、驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。

Description

自适应频率补偿低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，能工作在2-5V输入电压下，提供1.8V固定输出电压，最大可以驱动100mA电流。具有环路带宽大、驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。

背景技术

低压差线性稳压器在集成电路中有着广泛的用途，一般用来为芯片内部电路提供稳定的内核电压。低压差线性稳压器可以工作在很宽的输入电压范围内，具有很强的电源适应性。除此之外，使用低压差线性稳压器也可以一定程度上消除外部电源的毛刺和干扰。特别是在使用电池供电的场合，目前很多模拟数字芯片的内核电源电压在1.2V-1.8V，而电池的电压通常是固定的。在芯片内集成低压差线性稳压器，如此具有不同内核电压的芯片就可以工作在同样的电源电压下，实现高度的实用灵活性。由于低压差线性稳压器通常采用反馈结构，配合误差放大器在一定带宽内可以实现较高的电源抑制比，消除了外部电源噪声和干扰信号的影响。

低压差线性稳压器在芯片内部是当作电源使用的，其输出电流有着很宽的变化范围。对应的等效输出负载可以从几百兆欧一直变化到几十欧，从低压差线性稳压器的反馈环路看，其输出极点的位置会变化数万倍。这会给整个低压差线性稳压器反馈环路的稳定性设计带来很大的挑战。为了消除该效应的影响，通常的做法是在输出端并联一个很大的电容，将输出极点拉到足够低的位置。直到在最小负载情况下反馈环路的单位增益频率低于环路第二个极点的位置。从而保证了在最差情况下环路相位裕度大于45度。但这样做的后果是并联了一个太大的电容(通常是数十至数百μF)，使得环路带宽被严重限制了，对干扰和电源波动的抑制能力也有所下降。另一种方法是使用缓冲器（通常是源跟随器）来提高第二，第三极点的位置，使得这些极点远离主极点（输出极点），即使主极点（输出极点）的位置发生很大的变化，次极点的位置始终大于单位增益频率。但是这样做的主要缺点是要实现较高的次极点位置，需要很大的电流来驱动这些缓冲器。这样的做法直接导致了低压差线性稳压器的高功耗。为了在提高次极点位置的同时不增加过多的额外功耗，需要设计出具有更高电流效率的缓冲器，即在较低的偏置电流下即可实现很低的输出电阻。另外可以引入自适应频率补偿技术，即次极点位置根据主极点的变化而相应变化，在主极点位置较低时，只需要较低的电流便可以实现保证次极点大于单位增益频率。而在输出大电流即负载较低时，对缓冲器注入额外电流，使得次极点与主极点以相同的速度增加，继续保证环路的稳定性。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种使用自适应频率补偿技术，包含两级缓冲级的低压差线性稳压器电路。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管，第一反馈电阻、第二反馈电阻、片外电容、键合线电阻；其中，基准电流通过N型金属氧化物半导体管输入；输入电源电压分别输入误差放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器的电源端和功率P型金属氧化物半导体管的源极，误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入端，第一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧化物半导体管的栅极，功率P型金属氧化物半导体管的漏极接第一反馈电阻的上端，第一反馈电阻的下端接第反馈二电阻的上端和误差放大器的正输入端，第二反馈电阻的下端接地，片外电容的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口，误差放大器的负输入端输入参考电压，其中带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。

优选的，所述参考电压为1.2伏。

优选的，所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括第十一NMOS管、第十二NMOS管、第三十NMOS管，第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管，第十二NMOS管，第十七NMOS管，第八PMOS管，第九PMOS管，第十晶体管； 第十二NMOS管的栅极接N型金属氧化物半导体管的栅极，漏端分别连接到第十六PMOS管的漏端和第十三NMOS管的源端；第十一NMOS管漏源短接，第十一NMOS管的栅极接第十二NMOS管的栅极；第十三NMOS管的栅极接1.2V的参考电压，第十三NMOS管的漏极接第十四PMOS管PMOS管的漏极；第十四PMOS管的源极接输入电源电压；第十NMOS管，第八PMOS管，第九PMOS管为第十四PMOS管提供镜像电流；第十五PMOS管的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS管的漏极；第十五PMOS管的漏极接第十六PMOS管的源极；小宽长比第十七NMOS管的栅极短接，连接到第十六PMOS管的漏极。

优选的，所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电路，该自适应频率补偿电路包括第十八NMOS管、第十九NOMS管、第二十PMOS管、功率管、第三电阻和第一电容；功率管的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻的上端，第二十PMOS管的源极接输入电源电压，第二十PMOS管的栅极接功率管的栅极；第二十PMOS管的漏极接第十九PMOS管的漏极，第十九PMOS管栅漏短接，源极接地；第十八PMOS管源极接地，漏极接第十六PMOS管的漏极，栅极接第十九PMOS管的栅极；第三电阻和第一电容串联，第三电阻一端接第十五PMOS管的栅极，另一端接输入电源电压。

有益效果：加入了两级缓冲级，可以使用较低的片外电容（1μF），保证了该低压差线性稳压器的环路带宽。使用了跨导自举的第二缓冲级并同时引入了动态阻抗调整技术，使得第二极点随输出极点同步变化，只在需要的时候注入电流，提高了电流利用效率。该电路具有驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。

附图说明

图1为本发明的低压差线性稳压器主体电路框图；

    图2为本发明的低压差线性稳压器的电路原理图；

    图3为本发明的第二缓冲级的电路原理图；

图4为本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路幅频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；

图5为本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路相频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；

图6为本发明的低压差线性稳压器在最大驱动电流（100mA）与无驱动电流模式之间切换过程中的时域波形。               

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1－6，本发明提供的一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于：

该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管PM0，第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2、片外电容C0、键合线电阻CL；其中，基准电流通过N型金属氧化物半导体管M0输入；输入电源电压分别输入误差放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器的电源端和功率P型金属氧化物半导体管PM0的源极，误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入端，第一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧化物半导体管PM0的    栅极，功率P型金属氧化物半导体管PM0的漏极接第一反馈电阻R1的上端，第一反馈电阻R1的下端接第反馈二电阻R2的上端，第二反馈电阻R2的下端接地，第二反馈电阻R2的上端接误差放大器的正输入端，片外电容C0的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口CL，误差放大器的负输入端输入参考电压，其中带有自适应频率补偿功能的第二个缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。

所述参考电压为1.2伏。

    所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括第十一NMOS管M11、第十二NMOS管M12、第三十NMOS管M13，第十四PMOS管M14、第十五PMOS管M15、第十六PMOS管M16，第十二NMOS管 M12，第十七NMOS管M17，第八PMOS管M8，第九PMOS管M9，第十晶体管M10； 第十二NMOS管M12的栅极接N型金属氧化物半导体管M0的栅极电流镜，漏端分别连接到第十六PMOS管M16的漏端和第十三NMOS管M13的源端；第十一NMOS管M11漏源短接，第十一NMOS管M11的栅极接第十二NMOS管M12的栅极；第十三NMOS管M13的栅极接1.2V的参考电压，第十三NMOS管M13的漏极接第十四PMOS管PMOS管M14的漏极；第十四PMOS管M14的源极接输入电源电压；第十NMOS管M10，第八PMOS管M8，第九PMOS管M9为第十四PMOS管M14提供镜像电流；第十五PMOS管M15的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS管M14的漏极；第十五PMOS管M15的漏极接第十六PMOS管M16的源极；小宽长比第十七NMOS管M17的栅极短接，连接到第十六PMOS管M16的漏极。

所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电路，该自适应频率补偿电路包括第十八NMOS管M18、第十九NOMS管M19、第二十PMOS管M20、功率管M21、第三电阻R3和第一电容C1；功率管21的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻R1的上端，第二十PMOS管M20的源极接输入电源电压，第二十PMOS管M20的栅极接功率管M21的栅极；第二十PMOS管M20的漏极接第十九PMOS管M19的漏极，第十九PMOS管M19栅漏短接，源极接地；第十八PMOS管M18源极接地，漏极接第十六PMOS管M16的漏极，栅极接第十九PMOS管M19的栅极；第三电阻R3和第一电容C1串联，第三电阻R3一端接第十五PMOS管M15的栅极，另一端接输入电源电压。

具体而言，该低压差线性稳压器包含误差放大器、缓冲级1、带有自适应频率补偿功能的缓冲级2、功率P型金属氧化物半导体管（PMOS管）PM0、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2，输入电源电压为误差放大器、第一缓冲级1、第二缓冲级2、PM0供电，误差放大器的负输入端接1.2V参考电压，误差放大器的输出接第一缓冲级的输入，第一缓冲级的输出接第二缓冲级的输入，第二缓冲级的输出接PM0，PM0的源端接输入电源，PM0的漏端即输出端口接第一电阻R1的上端，R1的下端接第二电阻R2的上端，R2的下端接地。R2的上端接误差放大器的正输入端。片外电容C0的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口。

基准电流通过N型金属氧化物半导体管（NMOS管）M0输入，通过电流镜为误差放大器、第一缓冲级、第二缓冲级提供偏置电流。误差放大器由尾电流源M0、差分对NMOS管M1、M2，负载管M4、M5组成。第一缓冲级由NMOS管M6，M7组成。M6的栅接M5的漏端，M6的漏端接输入电源，M6的源端接尾电流源M7的漏端，M7的源端接地。PMOS管M8、M9、M14、M15、M16、M20和NMOS管M10、M11、M12、M13、M17、M18、M19、M20组成带输出阻抗自动调节的第二缓冲级。M16的栅作为第二缓冲级的输入端，接第一缓冲级M6的源端，M16的源端作为第二缓冲级的输出，接功率管M21的栅极。

第二缓冲级电路带有自动调节输出阻抗功能。该缓冲级的主体部分由NMOS管M12、M13，PMOS管M14、M15、M16组成。尾电流源M12的栅接电流镜，漏端分别连接到M16的漏端和M13的源端。NMOS管M11漏源短接，M11的栅极接M12的栅极。M13的栅极接1.2V的参考电压，M13的漏极接PMOS管M14的漏极。M14的源极接输入电源电压。NMOS管M10，PMOS管M8、M9为M14提供镜像电流。M15的源端接输入电源电压，栅极接M14的漏极。M15的漏极接M16的源极。小宽长比NMOS管M17的栅漏短接，连接到M16的漏端。自适应频率补偿电路由NMOS管M18、M19和PMOS管M20组成。M20的源极接输入电源电压，M20的栅极接功率管M21的栅极。M20的漏极接M19的漏极，M19栅漏短接，源极接地。M18源极接地，漏极接M16的漏极，栅极接M19的栅极。电阻R3和电容C1串联，一端接M15的栅极，另一端接输入电源电压。

其中第二级缓冲电路可根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。本发明相对于传统的低压差线性稳压器具有环路带宽大、驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明的低压差线性稳压器主体电路框图；图2为本发明的低压差线性稳压器的详细电路原理图。图3的用作第二缓冲级的跨导自举电路也是本发明的一部分。图4是本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路幅频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；图5为本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路相频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；从图4和图5的内容可以看出，当输出电流从0变化到100mA时，环路主极点位置从1Hz变化到10KHz。但是次极点的位置也在往高频处移动，始终保证次极点位置在单位增益频率以上。保证了环路稳定性。结合幅频特性曲线和相频特性曲线可以得知，环路的相位裕度始终处于60度以上。图6为本发明的低压差线性稳压器在最大驱动电流（100mA）与无驱动电流模式之间切换过程中的时域波形；从图上可以看出，在负载突变的最差情况下，输出电压也相应产生了变化，但是其变化幅度在10mV以内，对电路产生的影响基本可以忽略。而且该相应波形过渡平稳，显示了较好的瞬态响应特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于：

该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管（PM0），第一反馈电阻（R1）、第二反馈电阻（R2）、片外电容（C0）、键合线电阻(CL）；其中，

基准电流通过N型金属氧化物半导体管（M0）输入；

输入电源电压分别输入误差放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器的电源端和功率P型金属氧化物半导体管（PM0）的源极，

误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入端，第一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧化物半导体管（PM0）的栅极，

功率P型金属氧化物半导体管（PM0）的漏极接第一反馈电阻（R1）的上端，第一反馈电阻（R1）的下端接第反馈二电阻（R2）的上端和误差放大器的正输入端，第二反馈电阻（R2）的下端接地，片外电容（C0）的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口(CL)，误差放大器的负输入端输入参考电压，

其中带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。

2.根据权利要求1所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于：所述参考电压为1.2伏。

3.根据权利要求1所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于：所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括

第十一NMOS管(M11)、第十二NMOS管(M12)、第三十NMOS管(M13)，第十四PMOS管(M14)、第十五PMOS管(M15)、第十六PMOS管(M16)，第十二NMOS管 (M12)，第十七NMOS管(M17)，第八PMOS管(M8)，第九PMOS管(M9)，第十晶体管(M10)； 

第十二NMOS管(M12)的栅极接N型金属氧化物半导体管（M0）的栅极，漏端分别连接到第十六PMOS管（M16）的漏端和第十三NMOS管（M13）的源端；

第十一NMOS管（M11）漏源短接，第十一NMOS管（M11）的栅极接第十二NMOS管（M12）的栅极；第十三NMOS管（M13）的栅极接1.2V的参考电压，第十三NMOS管（M13）的漏极接第十四PMOS管PMOS管（M14）的漏极；第十四PMOS管（M14）的源极接输入电源电压；

第十NMOS管（M10），第八PMOS管（M8），第九PMOS管（M9）为第十四PMOS管（M14）提供镜像电流；第十五PMOS管（M15）的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS管（M14）的漏极；第十五PMOS管（M15）的漏极接第十六PMOS管（M16）的源极；小宽长比第十七NMOS管（M17）的栅极短接，连接到第十六PMOS管（M16）的漏极。

4.根据权利要求3所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于：所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电路，该自适应频率补偿电路包括第十八NMOS管（M18）、第十九NOMS管（M19）、第二十PMOS管（M20）、功率管（M21）、第三电阻（R3）和第一电容(C1)；

功率管（21）的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻（R1）的上端，第二十PMOS管（M20）的源极接输入电源电压，第二十PMOS管（M20）的栅极接功率管（M21）的栅极；第二十PMOS管（M20）的漏极接第十九PMOS管（M19）的漏极，第十九PMOS管（M19）栅漏短接，源极接地；第十八PMOS管（M18）源极接地，漏极接第十六PMOS管（M16）的漏极，栅极接第十九PMOS管（M19）的栅极；第三电阻（R3）和第一电容（C1）串联，第三电阻（R3）一端接第十五PMOS管(M15)的栅极，另一端接输入电源电压。

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