CN104503531A

CN104503531A - 一种瞬态响应增强型片上电容ldo电路

Info

Publication number: CN104503531A
Application number: CN201510018522.9A
Authority: CN
Inventors: 王本川; 范涛
Original assignee: BEIJING TEEAPOGEE MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: BEIJING TEEAPOGEE MICROELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明公开一种瞬态响应增强型片上电容LDO电路。包括基准（VREF）产生电路、误差放大器（AMP）、功率管、电阻串分压单元、以及充电通路、放电通路、耦合电容Cc1和Cc2。在负载电流突变时，利用设计的充电通路或者放电通路对功率管的栅电容（Cg）进行快速冲放电。本发明设计的新颖、有效的快速瞬态响应补偿通路，在实现瞬态响应补偿的同时，很好地实现了频率补偿，能够保证片上LDO在整个负载电流变化范围内保持稳定。本发明的LDO电路的功率管可以工作在线性区，其输入输出压差可以控制到0.1V以内。不需外接输出电容，应用电路简单，成本低。

Description

一种瞬态响应增强型片上电容LDO电路

技术领域

本发明涉及一种集成电路，特别涉及片上电容结构的低压差线性稳压器（CAP_less LDO）的一种瞬态响应增强技术。

背景技术

由于具有电路简单、噪声小、压差小、功耗低等特点，在电池供电的射频SOC芯片中，低压差线性稳压器（Low Drop-out voltage Regulator，简称LDO）得到了广泛的应用。

由于集成电路工艺的限制，传统LDO需要的uF量级的大输出电容只能通过外接电容实现。而电池供电的射频SOC芯片可能需要多组电源电压，分别给射频接收部分、发送部分、数字电路部分提供各自独立的电源，所以一颗SOC芯片可能需要多组电源管脚，多个外接大电容。这些都增加了***成本，加大了应用复杂度。为降低成本，片上电容（CAP_less）LDO设法去除片外大电容，仅利用芯片内部集成的100pF量级电容，实现频率补偿。

当LDO的输出电容被降低几个数量级时，其瞬态响应能力将受到很大影响。当负载电流发生突变的阶跃时间小于LDO的单位增益带宽的倒数时，传统LDO的反馈环路来不及反应，只能利用外接大电容对负载提供瞬间充放电能力，稳定输出电压。举例说明：有这样一个LDO***，具有1MHz的带宽，功率管栅极寄生电容Cg=20pF，栅极电压变化ΔV=1V，LDO对栅极电容的充放电电流Isr=20uA，外接电容取Co=4.7uF，寄生等效串联电阻RESR=0；负载电流在1us内阶跃变化的幅值Iload-max=50mA，则可以通过如下公式计算LDO输出端电压最大变化值大约为20mV，很容易满足指标要求（其中为栅极电容电压的反应时间）。

由于输出电容被降低了几个数量级，片上电容LDO的瞬态响应特性将受到很大影响。同样的***，当Co减小为1nF时，同样的公式计算得到LDO输出端电压最大变化已经达到100V，所以未采取任何瞬态响应补偿措施的片上LDO将根本无法达到快速响应负载电流变化的指标要求。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种瞬态响应增强型片上电容LDO电路。本发明的目的是，去除芯片外接的大电容，改为内部集成100pF小电容，实现电压调整，频率补偿，同时具有较好的瞬态响应能力。为了实现本发明的发明目的，发明人是通过如下技术方案实现的。

本发明公开的一种瞬态响应增强型片上电容LDO电路，包括基准（VREF）产生电路、误差放大器（AMP）、电阻串分压单元、功率管以及充电通路、放电通路、耦合电容Cc1和Cc2。通过建立一条在负载发生快速瞬态变化时能够迅速改变功率管栅极电压从而改变功率管的电流驱动能力的通路，提升功率管栅极电压的瞬态响应能力，从而增强片上电容LDO的瞬态响应能力。

具体的瞬态响应增强功能描述如下：当负载电流向上突变时，采样电容Cc1采样到输出电压的减小，从而导致NMOS管的源极电压减小，NMOS管Mf的栅源电压VGS的增大立刻引起电流的变化，形成对功率管栅极的大的瞬间放电电流。因此采样电路和耦合电路结合形成的反馈通路的延迟非常小，可以构成快速的单向反馈通路，使功率管的栅电压迅速响应LDO输出的变化；当负载电流向下突变时，利用采样电容Cc2感应输出电压的上升并转化为电流，该电流经过电流镜结构倍乘放大后作为功率管栅极的充电电流，实现快速瞬态响应的目的。

本发明的优点及效果在于：

（1）本发明的片上LDO能够去除片外电容，节省芯片管脚资源，节省PCB面积。

（2）本发明的快速瞬态响应补偿通路，在实现瞬态响应补偿的同时，很好地实现了频率补偿，能够保证片上LDO在整个负载电流变化范围内保持稳定。

（3）本发明的LDO电路具有较小的功率管，节省芯片面积，可以工作在线性区，压差小，转换效率高，延长电池使用时间。

附图简述

通过附图中的图形，以示例方式，而非限制方式来图解本发明的实施例，在这些附图中相同的参考数字指代相似的元件。

图1是传统的片外大电容LDO结构示意图。

图2是本发明的瞬态响应增强型片上电容LDO电路的图示。

图3是本发明的用于图2中片上电容LDO的功率管栅极放电通路图示。

图4是本发明的用于图2中片上电容LDO的功率管栅极充电通路图示。

图5是本发明的用于图2中瞬态响应增强型片上电容LDO电路的交流小信号等效电路的图示。

图6是本发明的用于图2中瞬态响应增强型片上电容LDO电路的零极点分布图。

具体实施方法

图1示出了传统的片外大电容LDO结构图。通常包括基准（VREF）产生电路、误差放大器（AMP）、电阻串分压单元、功率管以及外接陶瓷电容Co。ROUT代表负载电路。另外，传统LDO利用片外钽电容的等效串联电阻形成零点或者内部另设专门的相位补偿电路实现LDO环路稳定性补偿。

基准电压产生电路作为误差放大器的输入之一，用于提供参考电压。但负载电流缓慢变化时，电容Co输出端电压变化，电阻串分压单元产生输出电压VOUT的分压信号，反馈给误差放大器的另一个输入端。在反馈电压的控制下，误差放大器产生相应的输出信号，调整功率管电流，实现调整输出电压（VOUT）的目的。当负载电流发生突变的阶跃时间小于LDO的单位增益带宽的倒数时，传统LDO的反馈环路来不及反应，只能利用外接大电容Co对负载提供瞬间充放电能力，稳定输出电压。由于外接电容Co较大，很容易满足指标要求。

图2示出了本发明中瞬态响应增强型片上电容LDO电路的实施例。包括包括基准（VREF）产生电路、误差放大器（AMP）、电阻串分压单元、功率管以及充电通路、放电通路、耦合电容Cc1和Cc2。同传统LDO结构一样，基准（VREF）产生电路提供误差放大器的参考输入，电阻串分压单元、误差放大器、功率管接成反馈环路。反馈环路保证稳态下LDO输出电压符合理论值。由于输出电容被降低了几个数量级，片上电容LDO的瞬态响应特性将受到很大影响。背景技术[0004]中已经讲到：当Co减小为100pF量级时，未采取任何瞬态响应补偿措施的片上LDO将无法达到快速响应负载电流变化的指标要求。

图3示出了本发明的用于图2中片上电容LDO的功率管栅极放电通路的实施例。放电通路主要由上、下电流源I1，放大电路AMP1，反馈管Mf和耦合电容Cc1构成。由于NMOS管Mf的源极为低阻抗输入节点，电容Cc1采样到的反映LDO输出端电压瞬态变化的电流能够完全通过NMOS管Mf并到达功率管的栅极，而且不会通过Cc1形成从功率管栅极到LDO的输出的前馈通路。当负载电流向上突变时，采样电容Cc1采样到输出电压的减小，从而导致NMOS管的源极电压减小，NMOS管Mf的栅源电压VGS的增大立刻引起电流的变化，形成对功率管栅极的大的瞬间放电电流。因此采样电路和耦合电路结合形成的反馈通路的延迟非常小，可以构成快速的单向反馈通路，使功率管的栅电压迅速响应LDO输出的变化。该结构中，偏置电流I1和共栅连接的MOS管Mf的尺寸影响负载电流向上跳变时的瞬态响应：偏置电流I1越大，放电电流越大，瞬态响应越快；MOS管Mf的尺寸越大，足够小的过驱动电压就可以产生很大的瞬间电流，瞬态响应越快。放大电路AMP1对应图2中NMOS管Mb和电流源Ib。为了进一步增大瞬态电流，本发明采用负反馈方法，增大MOS管Mf的过驱动电压，增大瞬态放电电流。当采样电容Cf采样到输出电压的下降时，运放使得NMOS管Mf栅极电压升高，从而使得MOS管Mf栅源电压VGS进一步增大，从而在相同的MOS管尺寸的条件下，增大从功率管栅极到LDO输出端的瞬间放电电流。另一方面讲，负反馈增大了MOS管的等效跨导，减小了节点V’g的等效输入阻抗，从而加快了瞬态响应过程。

图4示出了本发明的用于图2中片上电容LDO的功率管栅极充电通路的实施例。充电通路主要由电流源I2，电流镜像单元Mc1、Mc2和Mc3、Mc4，以及耦合电容Cc2构成。当负载电流向下突变时，利用采样电容Cc2感应输出电压的上升并转化为电流，该电流经过电流镜结构倍乘放大后作为功率管栅极的充电电流，实现快速瞬态响应的目的。此时，由于NMOS管Mf已经关闭，放电通路不起作用。

图2所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路包括一个功率管。所述功率管可以工作在饱和区或者线性区。当负载电流较大时，允许功率管工作在线性区，有两大好处：其一，压差较小，转换效率高；其二，工作在线性区的功率管可以使用较小的宽长比，其栅极电容可以较小，从而更容易提高瞬态响应特性。

图5是本发明的用于图2中瞬态响应增强型片上电容LDO电路的交流小信号等效电路。假设Rout为功率管的源漏电阻、反馈电阻以及负载阻抗并联后的等效电阻值，CINT是LDO的输出电容，gmc1为充电通路中NMOS管Mc1的跨导，gmp为功率管的跨导，R1为前一级的等效输出阻抗，Kc为充电通路中电流镜像单元的电流放大比例系数。经推导和简化，本发明的环路传递函数

图6是本发明的用于图2中瞬态响应增强型片上电容LDO电路的交流小信号零极点分布图。由环路传递函数和零极点分布图可以看出，由于电容倍乘和密勒补偿的作用，极点P1和P2被分得很开，而且左半平面零点Z2和极点P2位置很近，其作用可以相互抵消，由于左半平面的零点Z1位于高频，能一定程度上改善LDO的相位裕量。采用本发明的快速瞬态响应通路，可以使LDO的频率响应近似于一阶***，由于分析中未考虑功率管栅极电容CGD的影响，实际频域特性稍差于一阶***。从而，本发明的快速瞬态响应通路在实现快速瞬态响应补偿的同时，很好地实现了频率补偿，能够保证片上LDO在整个负载电流变化范围内保持稳定。

本发明并非限于上述实施例，而是在所附权利要求的精神和范围内能够以修改或改变的方式来实践。本领域的技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种瞬态响应增强型片上电容LDO电路，包括基准(V_REF)产生电路、误差放大器(AMP)、电阻串分压单元、功率管以及充电通路、放电通路、耦合电容Cc1和Cc2。通过一种新颖、有效的快速瞬态响应补偿通路，在实现瞬态响应补偿的同时，很好地实现了频率补偿，能够保证片上LDO在整个负载电流变化范围内保持稳定。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路没有普通LDO电路的uF量级的片外大电容，利用片上集成的100pF量级小电容(C_INT)和耦合电容(Cc1和Cc2)实现瞬态响应补偿和频率补偿功能。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路包括一个充电通路，用于建立一条在负载发生快速瞬态变化时能够迅速改变功率管栅极电压从而改变功率管的电流驱动能力的通路。具体而言，在负载电流突然增大时，建立一条背向功率管栅极的大的瞬间放电电流通路，使栅极电压降低，增大功率管的电流驱动能力。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路包括一个放电通路，用于建立一条在负载发生快速瞬态变化时能够迅速改变功率管栅极电压从而改变功率管的电流驱动能力的通路。具体而言，在负载电流突然减小时，建立一条指向功率管栅极的大的瞬间充电电流通路，使栅极电压升高，减小功率管的电流驱动能力。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路包括一个功率管。所述功率管可以工作在饱和区或者线性区。当负载电流较大时，允许功率管工作在线性区，有两大好处：其一，压差较小，转换效率高；其二，工作在线性区的功率管可以使用较小的宽长比，其栅极电容可以较小，从而更容易提高瞬态响应特性。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态响应增强型片上电容LDO电路包括一个基准电压产生电路(VREF)、一个误差放大器(AMP)和电阻串分压单元。基准电压产生电路用于提供参考电压，作为误差放大器的输入之一，电阻串分压单元产生输出电压VOUT的分压信号，反馈给误差放大器的另一个输入端。在反馈电压的控制下，误差放大器产生相应的输出信号，调整功率管电流，实现调整输出电压(VOUT)的目的。