CN113885649B - 低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低压差线性稳压器包括：功率调整管、误差放大器、跨导采样电路、可变电阻电路和补偿电容。其中，跨导采样电路与功率调整管的控制端连接，用于获得表征功率调整管的跨导的采样电流，可变电阻电路与跨导采样电路连接，适于根据采样电流获得与功率调整管的跨导负相关的可变电阻，补偿电容的一端与可变电阻电路连接，另一端与功率调整管的控制端连接，以与可变电阻电路构成动态的补偿网络，无论输出电流如何变化，***的单位增益带宽始终处于设定的区间范围内，从而可以获得一个较高的相位裕度，可以实现在全负载大范围内都有较高的稳定性。

Description

低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及线性调整器技术领域，更具体地，涉及一种低压差线性稳压器。

背景技术

低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)是将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它***的供电电源。由于线性稳压器具有结构简单、静态功耗小、输出电压纹波小等特点，因此线性稳压器常被用于移动消费类电子设备芯片的片内电源管理。

图1为现有技术的一种低压差线性稳压器的示意性电路图。如图1所示，低压差线性稳压器100包括参考电压VREF、反馈网络、误差放大器110、电压缓冲器BUFF、功率调整管Mpout和负载电容Co等组成。功率调整管Mpout连接在电源输入端和电源输出端之间，用于根据电源输入端提供的输入电压Vin向后级负载提供输出电压Vout。电阻R1和电阻R2构成的反馈网络连接在电源输出端和参考地之间，二者的公共端用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。误差放大器110具有反相输入端、同相输入端和输出端，其反相输入端用于接收该参考电压VREF，同相输入端用于接收所述反馈电压VFB，其输出端经电压缓冲器BUFF连接至功率调整管Mpout的控制端。误差放大器110用于将反馈电压VFB与参考电压VREF进行比较，并根据二者之间的电压差调整功率调整管Mpout的源漏压降，从而稳定输出电压Vout。

为了保持LDO的稳定性，必须在电路中引入频率补偿，如图1所示，补偿电阻Rc、补偿电容Cc和电容Cp用于构成动态的频率补偿网络。其中，补偿电阻Rc和补偿电容Cc连接在电源输入端和误差放大器110的输出端之间，电容Cp连接在电源输入端和补偿电阻Rc与补偿电容Cc的公共端之间，P1为主极点，P2为次主极点，P3为寄生高频极点，Z1为零点。

图2示为现有技术的低压差线性稳压器的***波特图。其中，A1为误差放大器110的增益，A2为第二级放大电路的增益，***总增益为A1*A2，图中示出了各个零极点以及单位增益带宽的近似频率点。如图2所示，当A2衰减为1时，此时***的总增益A1*A2＝A1，同时增益A1＝gm*Rc，其中，gm为误差放大器110的跨导，Rc为补偿电阻Rc的电阻值。随着频率的继续增大，***的总增益A1*A2继续衰减，此时可以将***简单近似为以增益A2单位增益带宽为主极点，增益为gm*Rc的单极点***，因此可以得到整体的单位增益带宽BW＝Gm/Co*gm*Rc，其中，Gm为功率调整管Mpout的跨导，Co为负载电容Co的电容值。我们希望把单位增益带宽设计在零点Z1和寄生高频极点P3之间，可通过合理设计得到：

BW²=(Gm/Co*gm*Rc)²＝Z1*P3 (1)

根据公式(1)可以得到公式(2)：

这样零点Z1可以抵消掉次主极点P2的影响，***可以简单被认为成单极点***，获得较高的相位裕度(phase margin)。

图3为现有技术的一种动态补偿电阻的示意性电路图。现有技术通过采样LDO的输出电流来做补偿电阻Rc，以对***进行动态补偿。如图3所示，晶体管Mp1和晶体管Mp2的第一端都连接到电源电压，二者的控制端彼此连接，同时连接到晶体管Mp2的第二端，从而构成电流镜，晶体管Mp1的第二端与补偿电容Cc的第一端连接，晶体管Mp2的第二端连接至LDO的输出电流Iout的采样电流Iout/K。晶体管Mp1工作在可调电阻区，从而可用作可变电阻。由图3可得到电阻Rc与功率调整管Mpout的关系为：

将公式(5)代入BW公式中可以得到：

采用这种补偿方式***的单位增益带宽几乎是固定的，不会随着输出电流的变化而变化，而Z1*P1会随着输出电流的变化而有较大的变化，如果输出电流的变化范围较大，单位增益带宽就可能分布在Z1～P3的区间之外，导致***的稳定性受到影响，因此现有技术的补偿方式很难确保LDO在全负载范围内大范围的稳定。

因此需要对现有的低压差线性稳压器进行改进，以确保LDO在全负载范围内的稳定。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种低压差线性稳压器，使用采样功率调整管的跨导的方式代替传统的采样输出电流的方式来进行频率补偿，确保LDO在全负载范围内的稳定。

根据本发明实施例，提供了一种低压差线性稳压器，包括：功率调整管，串联连接在输入电压和输出电压之间；误差放大器，其输出端经电压缓冲器连接到所述功率调整管的控制端，适于根据所述输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动所述功率调整管；跨导采样电路，与所述功率调整管的控制端连接，用于获得表征所述功率调整管的跨导的采样电流；可变电阻电路，与所述跨导采样电路连接，适于根据所述采样电流获得与所述功率调整管的跨导负相关的可变电阻；以及补偿电容，其一端与所述可变电阻电路连接，另一端与所述功率调整管的控制端连接，以与所述可变电阻电路构成动态的补偿网络。

可选的，所述跨导采样电路包括：第一晶体管，其第一端与所述输入电压连接，控制端与所述功率调整管的控制端连接，所述第一晶体管通过采样所述功率调整管流过的电流以在第二端输出第一电流；第二晶体管，其第一端与所述输入电压连接，控制端经一电压源与所述功率调整管的控制端连接，所述第二晶体管通过采样所述功率调整管流过的电流以在第二端输出第二电流；以及电流镜电路，其具有与所述第一晶体管的第二端连接的第一电流端口、与所述第二晶体管的第二端连接的第二电流端口以及接地端，所述电流镜用于根据所述第一电流和所述第二电流的电流差在所述第一电流端口输出所述采样电流。

可选的，所述电流镜电路包括第三晶体管和第四晶体管，其中，所述第三晶体管的第一端作为所述第一电流端口与第一晶体管的第二端连接，所述第四晶体管的第一端作为所述第二电流端口与所述第二晶体管的第二端连接，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端彼此连接，且都连接到所述第四晶体管的第一端，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二端作为接地端与参考地连接。

可选的，所述第一晶体管和所述第二晶体管为PMOS管，所述第三晶体管和所述第四晶体管为NMOS管。

可选的，所述可变电阻电路包括第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管的第一端都与电源电压连接，所述第五晶体管的第二端与所述采样电流连接，所述第六晶体管的控制端与所述第五晶体管的控制端连接，且连接至所述第五晶体管的第二端，所述第六晶体管的第二端与所述补偿电容的第一端连接，其中，所述第六晶体管工作在可调电阻区，可用作可变电阻。

可选的，所述第五晶体管和所述第六晶体管为PMOS管。

可选的，所述低压差线性稳压器还包括串联连接于所述输出电压和参考地之间的第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻和所述第二电阻构成的反馈网络用于获得所述输出电压的反馈电压。

本发明实施例的低压差线性稳压器包括功率调整管、误差放大器、跨导采样电路、可变电阻电路和补偿电容。误差放大器的输出端经电压缓冲器连接到功率调整管的控制端，适于根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动功率调整管，跨导采样电路与功率调整管的控制端连接，用于获得表征功率调整管的跨导的采样电流，可变电阻电路与跨导采样电路连接，适于根据采样电流获得与功率调整管的跨导负相关的可变电阻，补偿电容的一端与可变电阻电路连接，另一端与功率调整管的控制端连接，以与可变电阻电路构成动态的补偿网络。与现有技术的采样输出电流的方式相比，本发明的低压差线性稳压器通过采样功率调整管的跨导来获得可变的补偿电阻，无论输出电流如何变化，***的单位增益带宽始终处于设定的区间范围内，从而可以获得一个较高的相位裕度，可以实现在全负载大范围内都有较高的稳定性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为现有技术的一种低压差线性稳压器的示意性电路图；

图2示为现有技术的低压差线性稳压器的***波特图；

图3为现有技术的一种动态补偿电阻的示意性电路图；

图4为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的示意性电路图；

图5为本发明实施例的低压差线性稳压器的跨导采样电路和可变电阻电路的示意性电路图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，晶体管可以为PMOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或NMOS管。PMOS管的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，NMOS管的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图4为本发明实施例的一种低压差线性稳压器的示意性电路图。如图4所示，该低压差线性稳压器200包括集成在同一集成电路芯片中的功率调整管Mpout、负载电容Co和控制电路。功率调整管Mpout为芯片的主要输出管，连接在电源输入端和输出端之间。功率调整管Mpout例如选用PMOS管，其第一端接收输入电压Vin，第二端向后级负载提供输出电压Vout。负载电容Co连接在电源输出端和参考地之间。

在其他实施例中，功率调整管Mpout也可以选自NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、或者NMOS管等。

控制电路用于驱动功率调整管Mpout，以使得功率调整管Mpout可以向后级负载提供输出电流。具体的，控制电路包括误差放大器210、电压缓冲器BUFF、跨导采样电路220、可变电阻电路230和补偿电容Cc。

误差放大器210通过控制功率调整管Mpout的控制端电压，来控制功率调整管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻，从而控制所述功率调整管Mpout的源漏压降。

进一步的，误差放大器210具有正相输入端、反相输入端和输出端，其正相输入端用于接收输出电压Vout的反馈电压VFB，反相输入端用于接收参考电压VREF，其输出端经由电压缓冲器BUFF连接到功率调整管Mpout的控制端。误差放大器210将反馈电压VFB和参考电压VREF进行比较，当二者出现偏差时，误差放大器210将所述偏差放大后控制功率调整管Mpout的源漏压降。在本实施例中，当输出电压Vout降低时，反馈电压VFB与参考电压VREF之间的电压差增大，使得施加到功率调整管Mpout的控制端的电压增大，功率调整管Mpout的第一端和第二端之间的导通电阻减小，功率调整管Mpout两端的压降降低，从而使得低压差线性稳压器200的输出端的电压升高，使得输出电压Vout恢复到正常水平。

在本发明的其他实施例中，控制电路还包括连接在输出端和参考地之间的反馈网络，误差放大器210根据所述反馈网络提供的反馈电压和参考电压之间的电压差控制功率调整管Mpout的源漏压降。作为示例，低压差线性稳压器200的控制电路包括串联连接在功率调整管Mpout的输出端和参考地之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。

跨导采样电路220与所述功率调整管Mpout的控制端连接，用于获得表征所述功率调整管的跨导Gm的采样电流Is。

可变电阻电路230与跨导采样电路220连接，适于根据采样电流Is获得与功率调整管Mpout的跨导Gm负相关的可变电阻。

补偿电容Cc的一端与可变电阻电路230连接，另一端与功率调整管Mpout的控制端连接，以与可变电阻电路230构成动态的补偿网络。

与现有技术的采样输出电流的方式相比，本发明的低压差线性稳压器200通过采样功率调整管Mpout的跨导来获得可变的补偿电阻，从而实现对***的频率补偿，无论输出电流Iout如何变化，***的单位增益带宽始终处于设定的区间范围内，从而可以获得一个较高的相位裕度，可以实现在全负载大范围内都有较高的稳定性。

图5为本发明实施例的低压差线性稳压器的跨导采样电路和可变电阻电路的示意性电路图。

如图5所示，跨导采样电路220包括晶体管Mp1和Mp2、晶体管Mn1和Mn2以及电压源201。晶体管Mp1的第一端与输入电压Vin连接，控制端与功率调整管Mpout的控制端连接，晶体管Mp1通过采样功率调整管Mpout流过的电流以在第二端输出第一电流I1。晶体管Mp2的第一端与输入电压Vin连接，控制端经电压源201与功率调整管Mpout的控制端连接，晶体管Mp2通过采样功率调整管Mpout流过的电流以在第二端输出第二电流I2。晶体管Mn1和Mn2构成电流镜电路，晶体管Mn1的第一端作为第一电流端口与晶体管Mp1的第二端连接，晶体管Mn2的第一端作为第二电流端口与晶体管Mp2的第二端连接，晶体管Mn1和Mn2的控制端彼此连接，且都连接到晶体管Mn2的第一端，晶体管Mn1和Mn2的第二端作为接地端与参考地连接。其中晶体管Mn1通过晶体管Mn2复制第二电流I2以与第一电流I1做差，并根据二者之间的电流差在第一电流端口输出所述采样电流Is。

可变电阻电路230包括晶体管Mp3和Mp4，晶体管Mp3和Mp4的第一端都与电源电压Vcc连接，晶体管Mp3的第二端与采样电流Is连接，晶体管Mp4的控制端与晶体管Mp3的控制端连接，且连接至晶体管Mp3的第二端，晶体管Mp4的第二端与补偿电容Cc的第一端连接，其中，晶体管Mp4工作在可调电阻区，可用作可变的补偿电阻Rc。

在上述实施例中，晶体管Mp1-Mp4为PMOS管，晶体管Mn1和Mn2为NMOS管。

由以上的描述可知，采样电流Is为第一电流I1和第二电流I2的电流差，由此可以得到：

Is∝ΔV*Gm (7)

其中，ΔV为电压源201提供的恒定电压，Gm为功率调整管Mpout的跨导。根据公式(7)可以得到

这样无论低压差线性稳压器的输出电流如何变化，***的BW²＝(Gm/Co*gm*Rc)²＝Z1*P3，可以保证***的单位增益带宽BW始终处于Z1～P3的区间范围内，使得***可以获得一个较高的相位裕度，实现在全负载范围内都有较高的稳定性。

综上所述，本发明实施例的低压差线性稳压器包括：功率调整管、误差放大器、跨导采样电路、可变电阻电路和补偿电容。误差放大器的输出端经电压缓冲器连接到功率调整管的控制端，适于根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动功率调整管，跨导采样电路与功率调整管的控制端连接，用于获得表征功率调整管的跨导的采样电流，可变电阻电路与跨导采样电路连接，适于根据采样电流获得与功率调整管的跨导负相关的可变电阻，补偿电容的一端与可变电阻电路连接，另一端与功率调整管的控制端连接，以与可变电阻电路构成动态的补偿网络。与现有技术的采样输出电流的方式相比，本发明的低压差线性稳压器通过采样功率调整管的跨导来获得可变的补偿电阻，无论输出电流如何变化，***的单位增益带宽始终处于设定的区间范围内，从而可以获得一个较高的相位裕度，可以实现在全负载大范围内都有较高的稳定性。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种低压差线性稳压器，包括：

功率调整管，串联连接在输入电压和输出电压之间；

误差放大器，其输出端经电压缓冲器连接到所述功率调整管的控制端，适于根据所述输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动所述功率调整管；

跨导采样电路，与所述功率调整管的控制端连接，用于获得表征所述功率调整管的跨导的采样电流；

可变电阻电路，与所述跨导采样电路连接，适于根据所述采样电流获得与所述功率调整管的跨导负相关的可变电阻；以及

补偿电容，其一端与所述可变电阻电路连接，另一端经所述电压缓冲器与所述功率调整管的控制端连接，以与所述可变电阻电路构成动态的补偿网络，

其中，所述跨导采样电路包括：

第一晶体管，其第一端与所述输入电压连接，控制端与所述功率调整管的控制端连接，所述第一晶体管通过采样所述功率调整管流过的电流以在第二端输出第一电流；

第二晶体管，其第一端与所述输入电压连接，控制端经一电压源与所述功率调整管的控制端连接，所述第二晶体管通过采样所述功率调整管流过的电流以在第二端输出第二电流；以及

电流镜电路，其具有与所述第一晶体管的第二端连接的第一电流端口、与所述第二晶体管的第二端连接的第二电流端口以及接地端，所述电流镜用于根据所述第一电流和所述第二电流的电流差在所述第一电流端口输出所述采样电流。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，所述电流镜电路包括第三晶体管和第四晶体管，

其中，所述第三晶体管的第一端作为所述第一电流端口与第一晶体管的第二端连接，所述第四晶体管的第一端作为所述第二电流端口与所述第二晶体管的第二端连接，所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端彼此连接，且都连接到所述第四晶体管的第一端，所述第三晶体管和所述第四晶体管的第二端作为接地端与参考地连接。

3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压器，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管为PMOS管，所述第三晶体管和所述第四晶体管为NMOS管。

4.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其中，所述可变电阻电路包括第五晶体管和第六晶体管，

所述第五晶体管和所述第六晶体管的第一端都与电源电压连接，所述第五晶体管的第二端与所述采样电流连接，所述第六晶体管的控制端与所述第五晶体管的控制端连接，且连接至所述第五晶体管的第二端，所述第六晶体管的第二端与所述补偿电容的第一端连接，

其中，所述第六晶体管工作在可调电阻区，可用作可变电阻。

5.根据权利要求4所述的低压差线性稳压器，其中，所述第五晶体管和所述第六晶体管为PMOS管。

6.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，还包括串联连接于所述输出电压和参考地之间的第一电阻和第二电阻，

其中，所述第一电阻和所述第二电阻构成的反馈网络用于获得所述输出电压的反馈电压。

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