CN106094955A - 一种低功耗的低压差线性稳压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种低功耗的低压差线性稳压电路，上述电路由核心电路、频率补偿电路和反馈电路组成，核心电路由运算放大器AMP、第一P型场效应管PM1、第一电阻R1和第二电阻R2组成,频率补偿电路由第四P型场效应管PM4、第三电阻R3和第一电容C1组成，反馈电路由第二P型场效应管PM2、第三P型场效应管PM3、第一N型场效应管NM1、第二N型场效应管NM2和第三N型场效应管NM3组成，本发明结构简单，实现了快速瞬态响应，并在负载电流在较大范围变化时保证了电路的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种低功耗的低压差线性稳压电路。
背景技术
在超大规模集成电路或SOC（片上***）中，一般都会使用LDO (Low Dropout VoltageRegulator：低压差线性稳压器)为芯片提供稳压电源，LDO可以采用片外滤波电容或者无电容型的LDO，采用片外滤波电容的LDO，会增加芯片的引脚，也增加了芯片的应用成本，无电容型的LDO在电路结构上少了输出端并联的大电容，因此也少了一个重要的电荷储存器件和补偿电容，当负载电流较大时，负载电流的波动会引起输出电压的变化，故LDO的瞬态响应能力和稳定性就成为设计中的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗并能够快速瞬态响应的无电容型的低压差线性稳压电路（后面简称稳压电路）。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案，一种低功耗的低压差线性稳压电路，其包括：
核心电路，所述核心电路由运算放大器、与所述运算放大器输出端连接的第一P型场效应管、与所述第一P型场效应管的漏极连接的第一电阻及与所述第一电阻连接的第二电阻组成；
频率补偿电路，所述频率补偿电路由第四P型场效应管、与所述第四P型场效应管的漏极连接的第三电阻及与所述第三电阻连接的第一电容组成；
反馈电路，所述反馈电路由第二P型场效应管、第三P型场效应管、第一N型场效应管、第二N型场效应管及第三N型场效应管组成，所述第二P型场效应管的漏极分别与所述第一N型场效应管的漏极和栅极、第二N型场效应管的栅极及第三N型场效应管的栅极连接，所述第二N型场效应管的漏极与所述第三P型场效应管的漏极连接，所述反馈电路通过调节所述运算放大器的工作电流，使得所述稳压电路在负载电流较大时为所述运算放大器提供更大的工作电流，从而提高所述稳压电路的瞬态相应能力，所述反馈电路还可以通过调节所述第三电阻的大小来调整零点在单位增益带宽内的位置，保证了所述稳压电路在所述负载电流在较大范围内变化时的稳定性。
作为本发明的优选方案，所述运算放大器的输出端分别与所述第一P型场效应管的栅极、第二P型场效应管的栅极及第一电容的一端连接，所述第一P型场效应管的源极和第二P型场效应管的源极共同连接电源，所述第一P型场效应管的漏极、所述第一电阻的一端、所述第四P型场效应管的源极及所述第三P型场效应管的源极共同连接电路输出端，所述第二P型场效应管的漏极分别与所述第一N型场效应管的漏极和栅极、第二N型场效应管的栅极及第三N型场效应管的栅极连接，所述第三P型场效应管的漏极与所述第二N型场效应管的漏极连接，所述第三P型场效应管的栅极与所述第四P型场效应管的栅极连接，所述第四P型场效应管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第一电容的另一端连接，所述第一N型场效应管的源极、第二N型场效应管的源极、第三N型场效应管的源极及所述第二电阻的一端共同接地，所述第三N型场效应管的漏极与所述运算放大器的源极连接，为所述运算放大器提供额外的电流源，所述第一电阻的另一端和第二电阻的另一端共同连接所述运算放大器的正输入端，所述运算放大器的负输入端接基准电压。
作为本发明的优选方案，所述第一P型场效应管与第二P型场效应管的尺寸成比例关系。
作为本发明的优选方案，所述电路输出电压的值等于所述基准电压的值乘以所述第一电阻和第二电阻的和，然后除以所述第二电阻的值的结果，即用公式VOUT=VREF*(R1+R2）/R2（式1）表示。
作为本发明的优选方案，所述运算放大器由第五P型场效应管、第六P型场效应管、第四N型场效应管、第五N型场效应管和第六N型场效应管组成，所述第五P型场效应管的源极和第六P型场效应管的源极共同连接电源电压，所述第五P型场效应管的栅极和第六P型场效应管的栅极相连，所述第五P型场效应管的源极和栅极相连同时还与所述第四N型场效应管的漏极连接，所述第六P型场效应管的漏极与所述第五N型场效应管的漏极相连接并共同组成输出端，所述第四N型场效应管的衬底与所述第五N型场效应管的衬底连接到地，所述第四N型场效应管的栅极作为正输入端，所述第五N型场效应管的栅极作为负输入端，所述第四N型场效应管的源极与所述第五N型场效应管的源极共同连接所述第六N型场效应管的漏极，所述第六N型场效应管的漏极作为所述运算放大器的源极，所述第六N型场效应管的源极接地，所述第四N型场效应管和第五N型场效应管组成差分输入极，所述第五P型场效应管和第六P型场效应管组成电流镜，所述第六N型场效应管提供偏置电流。
本发明电路工作原理如下：
所述电路输出端输出的电流是从电源通过所述第一P型场效应管得到的，因此，当负载电流发生变化时，流过所述第一P型场效应管的电流也会发生相应的变化，所述第二P型场效应管是所述第一P型场效应管的感应器件，用来感应所述第一P型场效应管电流的变化，所述第二P型场效应管的源级和栅极的连接关系与所述第一P型场效应管的源级和栅极的连接关系相同，且所述第二P型场效应管与所述第一P型场效应管的尺寸成比例关系，流过所述第二P型场效应管的感应电流不宜过大，以免增加功耗，但流过所述第二P型场效应管的感应电流也不应过小，否则会与所述第二P型场效应管与所述第一P型场效应管的宽长比不成等比例关系，从而降低感应电流的精度，所述第一N型场效应管、第二N型场效应管和第三N型场效应管组成电流镜结构，所述第二P型场效应管的感应电流通过所述第一N型场效应管提供给所述第二N型场效应管和所述第三N型场效应管，所述第三N型场效应管的漏极连接到所述运算放大器的源级，与所述第六N型场效应管共同为所述运算放大器提供工作电流，所述运算放大器的输出端分别与所述第一P型场效应管的栅极和第一电容的一端连接，组成了所述运算放大器主要的输出电容，通过控制所述第一P型场效应管栅极的电压大小来调节输出电流的电流值，如果所述负载电流变大，感应电流也会变大，所述运算放大器的工作电流也相应变大，这时所述运算放大器对所述输出电容的驱动能力变强，如果这时所述负载电流产生变化，所述运算放大器就能够快速的对所述输出电容充放电，从而提高了所述第一P型场效应管栅极电压的反应能力，达到提高所述稳压电路瞬态响应能力的功能。
当所述负载电流变小时，所述运算放大器的工作电流变小，当所述负载电流为零，所述第三N型场效应管的电流也为零，所述运算放大器仅靠所述第六N型场效应管的偏置电流维持工作，所述低功耗的低压差线性稳压电路的静态功耗仅在于所述运算放大器和流过所述第一电阻及第二电阻的电流，减小偏置电流的大小，并且增大所述第一电阻和第二电阻的阻值，可以使所述稳压电路在低负载时工作在低功耗状态。
所述稳压电路使用通用的两级放大，密勒补偿结构，这种结构的所述稳压电路在负载电流变化范围较大时，由于零极点的变化，会引起***的稳定性问题，下面详细说明所述稳压电路是如何通过感应所述第一P型场效应管的电流变化和调节所述第三电阻阻值的大小，来保证在负载电流在较大范围变化时***的稳定性，实现的原理如下：
所述频率补偿电路中的所述第一电容、第三电阻和第四P型场效应管组成密勒补偿电路，对于两级放大的所述稳压电路，主极点，零点和第二极点的频率计算公式为:
fp1=gm1/(2πC1) （式2）
fz=1/[2 π（R3+Rp4）C1（式3）
fp2=gm1/(2ΠCL) （式4）
式2-4中，gm1表示所述第一P型场效应管的跨导，C1表示所述第一电容的容值，R3表示所述第三电阻的阻值，Rp4表示所述第四P型场效应管的电阻值，CL表示负载电容值，密勒补偿的作用是把主极点推向低频值，并用零点补偿第二极点，这样在运放单位增益频率内，只有一个极点，即主极点，保证所述稳压电路的稳定性。
当所述负载电流变大时，所述第二N型场效应管和第三P型场效应管的电流增大，所述第四P型场效应管电流也会增大，所述第四P型场效应管工作在线性区，所述Rp4变小，而所述gm1随负载电流增大而增大，因此fz和fp2的频率值同时变大，零点跟随第二极点运动，起到了补偿第二极点的作用，保证了所述稳压电路***环路的稳定性，反之，当所述负载电流变小时，所述Rp4变大，所述gm1减小，所述fz和fp2的频率值同时减小，同理起到了稳定所述稳压电路***环路的作用。
所述运算放大器和所述第一P型场效应管组成了所述稳压电路的两级放大结构，所述运算放大器采用的是差分输入单端输出结构，结构简单，极点少，有利于补偿的设计和***的稳定，环路增益约70~80dB，如果希望所述稳压电路有更高的环路增益，按照实际需求，所述运算放大器可以使用套筒放大器或者折叠共源共栅结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
通过感应所述第一P型场效应管电流的大小，所述反馈电路调节所述运算放大器的工作电流大小来提高所述稳压电路对大电流负载的瞬态响应能力，所述反馈电路通过调节所述频率补偿电路中所述第三电阻阻值的大小来调整零点在单位增益带宽内的位置来保证所述稳压电路***在所述负载电流在较大范围变化时的稳定性。
附图说明
图1为本发明电路图；
图2为本发明运算放大器电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主体的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明保护的范围。
第一实施例
如图1所示，本实施例电路由核心电路、频率补偿电路和反馈电路组成，核心电路由运算放大器AMP、第一P型场效应管PM1、第一电阻R1和第二电阻R2组成, 频率补偿电路由第四P型场效应管PM4、第三电阻R3和第一电容C1组成，反馈电路由第二P型场效应管PM2、第三P型场效应管PM3、第一N型场效应管NM1、第二N型场效应管NM2和第三N型场效应管NM3组成，运算放大器AMP的输出端OUT分别与第一P型场效应管PM1的栅极、第二P型场效应管PM2的栅极及第一电容C1的一端连接，第一P型场效应管PM1的源极和第二P型场效应管PM2的源极共同连接电源VDD，第一P型场效应管PM1的漏极、第一电阻R1的一端、第四P型场效应管PM4的源极及第三P型场效应管PM3的源极共同连接电路输出端VOUT，第二P型场效应管PM2的漏极分别与第一N型场效应管NM1的漏极和栅极、第二N型场效应管NM2的栅极及第三N型场效应管NM3的栅极连接，第三P型场效应管PM3的漏极与第二N型场效应管NM2的漏极连接，第三P型场效应管PM3的栅极与第四P型场效应管PM4的栅极连接，第四P型场效应管PM4的漏极与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第一电容C1的另一端连接，第一N型场效应管NM1的源极、第二N型场效应管NM2的源极、第三N型场效应管NM3的源极及第二电阻R2的一端共同接地，第三N型场效应管NM3的漏极与运算放大器AMP的源极ladd连接，为运算放大器AMP提供额外的电流源，第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端共同连接运算放大器AMP的正输入端IN+，运算放大器AMP的负输入端IN-接基准电压VREF。
如图2所示，运算放大器AMP由第五P型场效应管PM5、第六P型场效应管PM6、第四N型场效应管NM4、第五N型场效应管NM5和第六N型场效应管NM6组成，第五P型场效应管PM5的源极和第六P型场效应管PM6的源极共同连接电源电压VDD，第五P型场效应管PM5的栅极和第六P型场效应管PM6的栅极相连，第五P型场效应管PM5的源极与栅极相连同时还与第四N型场效应管NM4的漏极连接，第六P型场效应管PM6的漏极与第五N型场效应管NM5的漏极相连并共同组成输出端，第四N型场效应管NM4的衬底与第五N型场效应管NM5的衬底连接，第四N型场效应管NM4的栅极作为正输入端，第五N型场效应管NM5的栅极作为负输入端，第四N型场效应管NM4的源极与第五N型场效应管NM5的源极共同连接第六N型场效应管NM6的漏极，第六N型场效应管NM6的漏极作为运算放大器AMP的源极ladd，第六N型场效应管NM6的源极接地。
在本实施列中，第一P型场效应管PM1和第二P型场效应管PM2的宽长比为200:1，即流过第二P型场效应管PM2的电流是流过第一P型场效应管PM1的电流的1/200，此尺寸的比例关系可以根据负载电流的变化范围而相应改变，运算放大器AMP采用单级差分放大器，在其他实施例中运算放大器AMP可以采用套筒放大器或折叠共源共栅结构放大器。
Claims (5)
1.一种低功耗的低压差线性稳压电路，其包括：
核心电路，所述核心电路由运算放大器、与所述运算放大器输出端连接的第一P型场效应管、与所述第一P型场效应管的漏极连接的第一电阻及与所述第一电阻连接的第二电阻组成；
频率补偿电路，所述频率补偿电路由第四P型场效应管、与所述第四P型场效应管的漏极连接的第三电阻及与所述第三电阻连接的第一电容组成；
反馈电路，所述反馈电路由第二P型场效应管、第三P型场效应管、第一N型场效应管、第二N型场效应管及第三N型场效应管组成，所述第二P型场效应管的漏极分别与所述第一N型场效应管的漏极和栅极、第二N型场效应管的栅极及第三N型场效应管的栅极连接，所述第二N型场效应管的漏极与所述第三P型场效应管的漏极连接。
2.根据权利要求1所述的低功耗的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述运算放大器的输出端分别与所述第一P型场效应管的栅极、第二P型场效应管的栅极及第一电容的一端连接，所述第一P型场效应管的源极和第二P型场效应管的源极共同连接电源，所述第一P型场效应管的漏极、所述第一电阻的一端、所述第四P型场效应管的源极及所述第三P型场效应管的源极共同连接电路输出端，所述第二P型场效应管的漏极分别与所述第一N型场效应管的漏极和栅极、第二N型场效应管的栅极及第三N型场效应管的栅极连接，所述第三P型场效应管的漏极与所述第二N型场效应管的漏极连接，所述第三P型场效应管的栅极与所述第四P型场效应管的栅极连接，所述第四P型场效应管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第一电容的另一端连接，所述第一N型场效应管的源极、第二N型场效应管的源极、第三N型场效应管的源极及所述第二电阻的一端共同接地，所述第三N型场效应管的漏极与所述运算放大器的源极连接，所述第一电阻的另一端和第二电阻的另一端共同连接所述运算放大器的正输入端，所述运算放大器的负输入端接基准电压。
3.根据权利要求2所述的低功耗的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述第一P型场效应管与第二P型场效应管的尺寸成比例关系。
4.根据权利要求2所述的低功耗的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述电路输出电压的值等于所述基准电压的值乘以所述第一电阻和第二电阻的和，然后除以所述第二电阻的值的结果，即用公式VOUT=VREF*(R1+R2）/R2表示。
5.根据权利要求2所述的低功耗的低压差线性稳压电路，其特征在于：所述运算放大器由第五P型场效应管、第六P型场效应管、第四N型场效应管、第五N型场效应管和第六N型场效应管组成，所述第五P型场效应管的源极和第六P型场效应管的源极共同连接电源电压，所述第五P型场效应管的栅极和第六P型场效应管的栅极相连，所述第五P型场效应管的源极和栅极相连同时还与所述第四N型场效应管的漏极连接，所述第六P型场效应管的漏极与所述第五N型场效应管的漏极相连并共同组成输出端，所述第四N型场效应管的衬底与所述第五N型场效应管的衬底连接，所述第四N型场效应管的栅极作为正输入端，所述第五N型场效应管的栅极作为负输入端，所述第四N型场效应管的源极与所述第五N型场效应管的源极共同连接所述第六N型场效应管的漏极，所述第六N型场效应管的漏极作为所述运算放大器的源极，所述第六N型场效应管的源极接地。
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