CN114035646A - 一种线性稳压器的动态偏置电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线性稳压器的动态偏置电路，属于集成电路以及线性稳压器设计技术领域。包括电流基准电路、微分器偏置电路、微分器和线性稳压器偏置电路；微分器偏置电路分别与电流基准电路和微分器连接；微分器与微分器偏置电路连接；线性稳压器偏置电路与微分器连接。线性稳压器的输出电压输入微分器；微分器对线性稳压器的输出电压进行微分，得到输出电压变化率；以输出电压变化率为标准正相关输出线性稳压器的偏置电流并依据该偏置电流动态调整线性稳压器偏置电路。所述电路能有效增加LDO的瞬态响应性能，实现自适应功耗调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种线性稳压器的动态偏置电路，属于集成电路以及线性稳压器设计技术领域。
背景技术
在片上***(System on Chip,SoC)中，线性稳压器作为SoC的电源，是所有SoC必不可少的关键部件之一。随着近几年集成电路技术的发展，线性稳压器也在朝着更低静态功耗、更低建立时间以及无外电容等方向发展。但根据模拟电路设计经验，静态功耗及响应速度是两个互相牵制的参数，传统方法无法将两者均优化到极致。考虑到最近的数字***会根据处理需求动态调整时钟频率以降低功耗，低压差线性稳压器(Low-DropoutRegulator,LDO)也需要对自身功耗进行自适应动态调整。
传统LDO实现低静态功耗和高响应速度主要有两类方法。一类是输出电流采样，另一类是调整管栅极的辅助放电回路。输出电流采样方法，一般是通过一个采样电阻或通过监测调整管栅极电压获取输出电流值，并按一定的比例将电流加入偏置电流中作为补偿电流。这种方式的特征是静态电流会随输出电流成比例变化，可以大幅增加LDO的瞬态响应性能。但这种方法在高输出电流的情况下静态电流会大幅增加。调整管栅极的辅助放电回路方法，一般是在调整管的栅极加入高速低精度回路辅助放电以提高瞬态响应性能。但这种方法由于存在多重环路，在电路设计上存在更高复杂度，且辅助放电回路也需要静态电流，无法将静态电流降低到极致。
发明内容
本发明的目的在于解决低功耗LDO难以实现极高瞬态响应且对不同工作状态负载无法实现以及自适应静态功耗调整的技术缺陷，提出了一种线性稳压器的动态偏置电路。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
所述线性稳压器的动态偏置电路，包括电流基准电路、微分器偏置电路、微分器和线性稳压器偏置电路；
在180nm模拟电路工艺下，动态偏置电路整体面积不超过0.01平方毫米，面积较小；
其中，电流基准电路用于产生稳定的电流基准；
其中，微分器偏置电路用于为微分器产生偏置电压；
其中，微分器用于检测线性稳压器输出电压进行采样并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流基准；
其中，线性稳压器偏置电路为输出级采样的动态偏置电路，该偏置电路能根据负载时钟频率自适应调整平均偏置电流，用于以微分器生成的偏置电流为基准为线性稳压器产生偏置电压；
所述线性稳压器中各模块的连接关系如下：
电流基准电路与微分器偏置电路连接；微分器偏置电路分别与电流基准电路和微分器连接，为微分器产生偏置电压；微分器分别与微分器偏置电路和线性稳压器偏置电路连接；线性稳压器偏置电路与微分器连接；
所述线性稳压器的工作过程，即偏置动态调整过程，具体包括如下步骤：
步骤1、微分器偏置电路提供给微分器的偏置电压，电流基准电路提供且微分器偏置电路的基准电流；
步骤2、微分器检测线性稳压器的输出电压并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流；
加入微分器构成的动态偏置电路，能根据线性稳压器输出电压迅速调整偏置电流；
步骤3、依据步骤2得到的偏置电流调整线性稳压器偏置电路输出的偏置电压。
有益效果
本发明一种线性稳压器的动态偏置电路，与现有线性稳压器相比，具有以下有益效果：
1.所述线性稳压器中的动态偏置电路采用微分器对线性稳压器输出电压进行采样，能根据线性稳压器输出电压迅速调整偏置电流，大幅提高低功耗情况下线性稳压器瞬态响应性能，适合于同时对低功耗和瞬态响应要求高的电路，能不通过增加静态功耗的情况下，有效地增加LDO的瞬态响应性能；
2.所述线性稳压器中微分器能根据输出电压的微分结果，即电压变化率自动调整偏置电流，即能根据负载时钟频率自动调整静态电流，使得所述线性稳压器结构简单，无需数字控制也无需电阻即可实现，同时面积较小，成本低；
3.所述线性稳压器利用输出级采样的动态偏置电路，能够根据负载时钟频率自适应调整平均偏置电流，实现自适应功耗调整，适合于负载需要频繁调整工作状态的场合。
附图说明
图1是本发明所述线性稳压器的动态偏置电路动态调整过程流程图；
图2是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路结构图；
图3是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路实施例电路原理图；
图4是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在输入正电压脉冲时偏置电压与电流曲线；
图5是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在输入负电压脉冲时偏置电压与电流曲线；
图6是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在不同负载频率下的偏置电流曲线。
图7是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在数字电路结构下的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图中对本发明一种线性稳压器的动态偏置电路的各电路模块及工作过程做进一步说明和详细描述。
实施例1
一种线性稳压器的动态偏置电路，与现有稳压器偏置结构相比，可以实现低功耗，超高瞬态响应以及自适应偏置调整。图1是本发明所述线性稳压器的动态偏置电路工作过程的流程图，其调整过程如下：
步骤1、首先，测量线性稳压器的输出电压。
步骤2、然后，对步骤1中得到的输出电压进行微分计算，得到输出电压的变化率。
步骤3、最后，以步骤2中得到的输出电压变化率为标准调整线性稳压器偏置，实现动态偏置。
图2是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路结构图。该***用于监测LDO输出电压并根据输出电压动态调整偏置电流。包括电流基准电路101、微分器偏置电路102、微分器电路103和线性稳压器偏置电路104；
其中，电流基准电路101用于产生稳定的电流基准，使用PTAT电流源实现；
其中，微分器偏置电路102用于为微分器电路103产生偏置电压，使用偏置MOS管与电流镜实现；
其中，微分器电路103用于检测线性稳压器输出电压并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流基准，使用电容与电流缓冲器构成的模拟微分器实现；
其中，线性稳压器偏置电路104用于以微分器电路103生成的偏置电流为基准为线性稳压器产生偏置电压，使用偏置MOS管与电流镜实现；
所述线性稳压器的动态偏置电路中各模块的连接关系如下：
电流基准电路101，与微分器偏置电路102连接；
微分器偏置电路102，分别与电流基准电路101和微分器电路103连接，为微分器电路103产生偏置电压；
微分器电路103，分别与微分器偏置电路102和线性稳压器偏置电路104连接；
线性稳压器偏置电路104，与微分器电路103连接。
图3是本发明提供的线性稳压器的动态偏置实施例电路原理图。结合图2所展示的结构，包括：
六个MOS管M1、M2、M3、M4、M5和M6构成包括电流基准电路101；六个MOS管M7、M8、M9、M10、M11和M12构成微分器偏置电路102；八个MOS管：第一偏置管M13、第二偏置管M14、第三偏置管M15、第四偏置管M16、第一放大管M17、第二放大管M18、第五偏置管M19和第六偏置管M20以及两个电容：第一微分电容C1和第二微分电容C2构成微分器电路103；六个MOS管M21、M22、M23、M24、M25和M26构成线性稳压器偏置电路104。
其中微分器电路103部分，第一微分电容C1和第二微分电容C2的一端接入LDO输出电压；
第一放大管M17的栅极与第一偏置管M13的漏极、第二偏置管M14的源极和第一微分电容C1连接，源极连接电源，漏极连接电流输出端；
第二放大管M18的栅极与第三偏置管M15的漏极、第四偏置管M16的源极和第二微分电容C2连接，源极连接电源，漏极连接由第五偏置管M19和第六偏置管M20构成的电流镜；
第五偏置管M19和第六偏置管M20构成等比例电流镜，第六偏置管M20漏极连接电流输出端，与第一放大管M17的输出电流相加后输出。
具体到本实施例，将传统线性稳压器的偏置电路替换成本实施例之动态偏置电路，进行测试。
图4是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在输入正电压脉冲时偏置电压与电流曲线，图5是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在输入负电压脉冲时偏置电压与电流曲线；包括：第一偏置电压为第一放大管栅极节点电压；第二偏置电压为第二放大管栅极节点电压；第一偏置电流为第一放大管的漏极电流；第二偏置电流为第二放大管的漏极电流；总偏置电流为输出偏置电流。图中曲线展示出了偏置随线性稳压器输出电压的变化，总偏置电流在静态情况下为1.27nA，当线性稳压器输出电压产生瞬态变化时，总偏置电流峰值可以达到20uA至30uA，实现了偏置电流动态调整功能，使得线性稳压器整体瞬态稳定时间降低至20nS左右，实现了高瞬态响应及超低功耗。
图6是本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在不同负载频率下的偏置电流曲线，显示出了偏置随负载频率的变化，可见当负载频率接近0时，平均偏置电流仅为3nA，偏置电流随负载频率上升迅速上升，当负载频率为1MHz时平均偏置电流达到2500nA左右，实现了自适应偏置电流调整的功能。
本实施例是针对电池应用等对功耗、瞬态响应、成本及空间要求较高的应用的片内LDO而设计，如嵌入式应用及使用电池的传感器等。本实施例使用180nM模拟CMOS工艺实现，所述线性稳压器电路整体面积为0.021平方毫米，其中，动态偏置电路部分面积仅为0.005平方毫米。
实施例2
本申请所述的线性稳压器的动态偏置电路也可以作为独立的线性稳压器芯片的偏置电路使用。在独立的芯片设计中，本申请所述的线性稳压器的动态偏置电路同实施例1：
包括电流基准电路101、微分器偏置电路102、微分器电路103和线性稳压器偏置电路104；
其中，电流基准电路101用于产生稳定的电流基准，使用带隙电流源实现以保证全温度条件的性能；
其中，微分器偏置电路102用于为微分器电路103产生偏置电压，使用偏置MOS管与电流镜实现；
其中，微分器电路103用于检测线性稳压器输出电压并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流基准，使用电容与电流缓冲器构成的模拟微分器实现；
其中，线性稳压器偏置电路104用于以微分器电路103生成的偏置电流为基准为线性稳压器产生偏置电压，使用偏置MOS管与电流镜实现；
本实施例中各模块间连接关系与实施例1中相同；
考虑到在独立的芯片设计中，芯片面积限制更低，可以增加动态偏置电路的微分器中电容所占面积以提高性能。
实施例3
本申请所述的线性稳压器的动态偏置电路也可以构建为数字电路完成相同功能。在数字动态偏置结构设计中，如图7本发明提供的线性稳压器的动态偏置电路在数字电路结构下的结构图所示：
包括时钟源、模数转换器、数字微分器、偏置电流开关网络和线性稳压器偏置电路；
其中，时钟源用于产生稳定的时钟信号，用于给模数转换器和数字微分器提供稳定的时钟信号；
其中，模数转换器用于对线性稳压器输出电压进行采样，转换为数字信号供后续处理电路使用。
其中，数字微分器用于根据模数转换器输出的电压信号进行微分计算，生成偏置开关电流网络的控制信号；
其中，偏置电流开关网络用于根据数字微分器给出的控制信号调整偏置电流，其由多个电流源与开关构成；
其中，线性稳压器偏置电路用于以偏置电流开关网络生成的偏置电流为基准为线性稳压器产生偏置电压，使用偏置MOS管与电流镜实现；
所述线性稳压器的动态偏置电路中各模块的连接关系如下：
时钟源，分别与模数转换器和数字微分器连接；
模数转换器，分别与时钟源和数字微分器连接，负责对线性稳压器输出电压进行采样并提供给数字微分器；
数字微分器，分别与模数转换器、时钟源和偏置电流开关网络连接，负责对模数转换器提供的电压信号进行微分计算并产生电流开关网络控制信号；
偏置电流开关网络，与数字微分器和线性稳压器偏置电路连接，在数字微分器的控制下输出偏置电流；
线性稳压器偏置电路，与偏置电流开关网络连接。
本实施例所提供的数字动态偏置电路，相比于实施例1的模拟动态偏置电路，其具有更强的数字电路兼容性，在数字工艺下更容易制作。由于不存在微分电容，故其面积较小，约为0.005平方毫米。其响应速度及功耗取决于时钟频率，相比于实施例1的模拟动态偏置电路，其相应速度较低，功耗较高；但其主要由数字电路组成使得其性能可以方便地进行编程控制。本实施例所提供的数字动态偏置电路适用于数字集成电路工艺下具有自定义及可控要求的LDO中。
以上结合三个具体实施例对本发明进行了详细描述。所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：包括电流基准电路(101)、微分器偏置电路(102)、微分器(103)和线性稳压器偏置电路(104)；
所述线性稳压器中各模块的连接关系如下：
电流基准电路(101)与微分器偏置电路(102)连接；微分器偏置电路(102)分别与电流基准电路(101)和微分器(103)连接，为微分器(103)产生偏置电压；微分器(103)分别与微分器偏置电路(102)和线性稳压器偏置电路(104)连接；线性稳压器偏置电路(104)与微分器(103)连接；
所述线性稳压器的工作过程，即偏置动态调整过程，具体包括如下步骤：
步骤1、微分器偏置电路(102)提供给微分器(103)的偏置电压，电流基准电路(101)提供且微分器偏置电路(102)的基准电流；
步骤2、微分器(103)检测线性稳压器的输出电压并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流；
步骤3、依据步骤2得到的偏置电流调整线性稳压器偏置电路输出的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：在180nm模拟电路工艺下，动态偏置电路整体面积不超过0.01平方毫米。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：线性稳压器偏置电流由输出电压变化率决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：电流基准电路(101)用于产生基准电流。
5.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：微分器偏置电路(102)用于为微分器(103)产生偏置电压。
6.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：微分器(103)用于检测线性稳压器的输出电压进行采样并进行微分计算，生成线性稳压器偏置电流基准。
7.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：线性稳压器偏置电路(104)为输出级采样的动态偏置电路。
8.根据权利要求7所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：线性稳压器偏置电路(104)的动态偏置电路能根据负载时钟频率自适应调整平均偏置电流，用于以微分器生成的偏置电流为基准为线性稳压器产生偏置电压。
9.根据权利要求1所述的一种基于动态偏置结构的线性稳压器，其特征在于：所述线性稳压器的工作过程中的步骤2，即加入微分器构成的动态偏置电路，能根据线性稳压器输出电压迅速调整偏置电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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