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CN111176358A - 一种低功耗低压差线性稳压器 - Google Patents

一种低功耗低压差线性稳压器 Download PDF

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CN111176358A
CN111176358A CN201911372394.2A CN201911372394A CN111176358A CN 111176358 A CN111176358 A CN 111176358A CN 201911372394 A CN201911372394 A CN 201911372394A CN 111176358 A CN111176358 A CN 111176358A
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Chengdu Analog Circuit Technology Inc
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Abstract

本发明公开了一种低功耗低压差线性稳压器，涉及集成电路技术领域。该线性稳压器包括误差放大电路、输出电路和缓冲电路，缓冲电路分别连接于误差放大电路和输出电路，误差放大电路接收基准电压和反馈电压并输出比较信号，缓冲电路将比较信号进行缓冲后发送至输出电路，输出电路将反馈电压输出至误差放大电路进行比较；缓冲电路包括第一NMOS管，第一NMOS管连接于误差放大电路输出端和输出电路中的第一PMOS管。本发明技术方案通过在误差放大电路和输出电路之间采用NMOS管作为缓冲电路，一方面解决了线性稳压器稳定性问题，另一方面，输出电路中的第一PMOS管的栅极电压摆幅大大增加，极大地缩小了第一PMOS管的面积。

Description

一种低功耗低压差线性稳压器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种低功耗低压差线性稳压器。
背景技术
LDO（Low Dropout Regulator, 低压差线性稳压器）是一种应用于便携式电子设备中的电源芯片，它具有低压差、低噪声、低静态功耗以及输出电流大等突出特点。由于LDO输出电流的变化导致LDO中的误差放大器不能稳定工作，因此需要对误差放大器进行频率补偿。
常见的补偿方式有负载电容上的寄生电阻(Equivalent Series Resistance ,ESR)零点补偿，密勒补偿等。ESR补偿结构简单，只需要选择一个合适的寄生电阻来调整误差放大器的相位裕度，系统就可以稳定工作，但是ESR很难取到一个合适的值。密勒补偿需要很大的片内电容，增加了版图面积。
另外一种常见的补偿方式是采用PMOS源随结构作为缓冲级，将PMOS源随结构作为缓冲级并放置于误差放大器输出端和功率MOS管的栅极之间，使得原来的低频极点分为两个高频极点，同时还可以用外部电容的ESR抵消其中一个极点，就可以得到较好的相位裕度。这种方案结构简单，稳定性较好，被普遍采用，但是PMOS源随结构的缓冲级会产生一个Vgs（栅源电压）的压降，导致功率MOS管(一般是PMOS管)的Vgs摆幅受限，Vgs的最大值不可能达到电源电压，在输出负载电流较大时，需要增大功率MOS管的面积，同时电源电压至少要达到2倍的Vgs以上，不适用于低电源电压应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低功耗低压差线性稳压器，旨在使其适用于低电源电压电路系统。
为实现上述目的，本发明提供一种低功耗低压差线性稳压器，包括误差放大电路和输出电路，所述线性稳压器还包括缓冲电路，所述缓冲电路分别连接于所述误差放大电路和所述输出电路，所述误差放大电路接收基准电压和反馈电压并输出比较信号，所述缓冲电路将所述比较信号进行缓冲后发送至所述输出电路，输出电路将反馈电压输出至所述误差放大电路进行比较；所述缓冲电路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管连接于所述误差放大电路输出端和所述输出电路中的第一PMOS管。
优选地，所述第一NMOS管为耗尽型NMOS管。
优选地，所述第一NMOS管的栅极连接于所述误差放大电路的输出端、漏极连接于电源电压、源极通过第一偏置电流源接地；
所述第一PMOS管的栅极连接于所述第一NMOS管的源极、源极连接于电源电压、漏极通过分压电阻接地。
优选地，所述误差放大电路包括接收基准电压的第二PMOS管、接收反馈电压的第三PMOS管以及第四PMOS管，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管通过所述第四PMOS管连接于电源电压；
所述误差放大电路还包括第五PMOS管、第六PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第二NMOS管连接于所述第二PMOS管和所述第四NMOS管、所述第三NMOS管连接于所述第三PMOS管和所述第五NMOS管，所述第四NMOS管连接于所述第五PMOS管、所述第五NMOS管连接于所述第六PMOS管。
优选地，所述缓冲电路还包括第六NMOS管和第七PMOS管，所述第六NMOS管的漏极连接于所述第一NMOS管的源极，源极接地，栅极连接于所述第三NMOS管的栅极和漏极以及第五NMOS管的栅极；所述第七PMOS管的源极连接于电源电压、漏极连接于所述第一NMOS管的源极和所述第一PMOS管的栅极；
所述第一NMOS管栅极连接于所述第五NMOS管的漏极和所述第六PMOS管的漏极，漏极连接于电源电压。
优选地，所述线性稳压器还包括偏置电路，所述偏置电路包括第二偏置电流源和第八PMOS管，所述第八PMOS管的源极连接于电源电压、漏极通过所述第二偏置电流源接地、栅极连接于漏极和所述第四PMOS管的的栅极以及所述第七PMOS管的栅极。
优选地，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的源极连接于所述第四PMOS管的漏极，所述第四PMOS管的源极连接于电源电压；
所述第二PMOS管的栅极接收基准电压、漏极连接于所述第二NMOS管的漏极和栅极；所述第三PMOS管的栅极接收反馈电压、漏极连接于所述第三NMOS管的漏极和栅极；
所述第二NMOS管的源极接地、栅极与漏极相连并连接于所述第四NMOS管的栅极；所述第三NMOS管的源极接地、栅极与漏极相连并连接于所述第五NMOS管的栅极；所述第四NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第五PMOS管的栅极和漏极；所述第五NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第六PMOS管的栅极和漏极；
所述第五PMOS管和所述第六PMOS管的栅极相互连接、源极连接于电源电压。
优选地，所述输出电路包括分压反馈子电路和负载子电路；所述分压反馈子电路包括串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接于所述第一PMOS管的漏极、另一端连接于所述第三PMOS管的栅极用以输出反馈电压至所述第三PMOS管，所述第一电阻的另一端还通过所述第二电阻接地。
优选地，所述负载子电路包括第三电阻、滤波电容和负载电阻，所述第三电阻和所述负载电阻的一端连接于所述第一PMOS管的漏极和输出电路的输出端，所述第三电阻的另一端通过滤波电容接地，所述负载电阻的另一端接地。
本发明技术方案通过在误差放大电路和输出电路之间采用NMOS管作为缓冲电路，一方面解决了线性稳压器稳定性问题，另一方面，输出电路中的第一PMOS管的栅极电压摆幅大大增加，极大地缩小了第一PMOS管的面积。
附图说明
图1为本发明低功耗低压差线性稳压器一实施例的电路原理示意图；
图2为本发明低功耗低压差线性稳压器另一实施例的电路原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明实施例提供一种低功耗低压差线性稳压器，适用于低电源电压应用。
如图1所示，本实施了提供一种低功耗低压差线性稳压器，包括误差放大电路、输出电路和缓冲电路，所述缓冲电路分别连接于所述误差放大电路和所述输出电路，所述误差放大电路接收基准电压VREF和反馈电压VFB并输出比较信号，所述缓冲电路将所述比较信号进行缓冲后发送至所述输出电路，输出电路将反馈电压VFB输出至所述误差放大电路进行比较；所述缓冲电路包括第一NMOS管MN1，所述第一NMOS管MN1连接于所述误差放大电路输出端和所述输出电路中的第一PMOS管MP1。
在具体实施例中，该第一NMOS管MN1为耗尽型NMOS管。
具体地，第一NMOS管MN1的栅极连接于所述误差放大电路的输出端、漏极连接于电源电压VDD、源极通过第一偏置电流源IA接地GND；所述第一PMOS管MP1的栅极连接于所述第一NMOS管MN1的源极、源极连接于电源电压VDD、漏极通过分压电阻接地GND。
具体地，输出电路包括分压反馈子电路和负载子电路；所述分压反馈子电路包括串联的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端连接于所述第一PMOS管MP1的漏极、另一端连接于第三PMOS管MP3的栅极用以输出反馈电压VFB至第三PMOS管MP3，第一电阻R1的另一端还通过第二电阻R2接地GND。负载子电路包括第三电阻RESR、滤波电容Cout和负载电阻RL，所述第三电阻RESR和所述负载电阻RL的一端连接于所述第一PMOS管MP1的漏极和输出电路的输出端Vout，所述第三电阻RESR的另一端通过滤波电容Cout接地GND，所述负载电阻RL的另一端接地GND。在具体实施例中，第三电阻RESR为电容串联等效电阻，滤波电容Cout为外部输出滤波电容。
如图1所示，本实施例的工作原理为：
带隙基准产生基准电压VREF，误差放大电路将接收到的反馈电压VFB和基准电压VREF 的差值放大，控制第一PMOS管MP1的导通阻抗，实现恒定的输出电压；当没有缓冲电路时，由 于误差放大电路输出节点A为高阻抗，第一PMOS管MP1面积大，节点B会有很大的栅极电容， 因此节点B直接连接于误差放大电路的输出节点A，在该公共节点会产生一个低频极点
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中RA为误差放大电路的输出电阻，CB为第一PMOS管MP1的栅极寄生电容；输 出电路还包括有一个uF级别的滤波电容Cout，其产生主极点
Figure 969908DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 945954DEST_PATH_IMAGE003
为输出端Vout的阻抗，其中，Rds为第一PMOS管MP1的输出阻 抗。这样会使得在单位增益带宽以内，会存在两个极点，导致系统不稳定。
本发明实施例在误差放大电路输出和第一PMOS管MP1的栅极之间增加缓冲级，使 得原来的低频极点p1分为两个高频极点:
Figure 752236DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 926866DEST_PATH_IMAGE005
，由于，
Figure 793191DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 53271DEST_PATH_IMAGE007
，其中RA为误差放大器的输出阻抗，RB为第一PMOS管 MP1的输出阻抗，CA为误差放大器的寄生电容，CB为第一PMOS管MP1的栅极寄生电容，gm_mn1为 第一NMOS管MN1的跨导。同时，可以利用负载子电路中第三电阻RESR产生的零点
Figure 928823DEST_PATH_IMAGE008
抵消其中一个极点，其中，RESR为第三电阻RESR的阻值，Cout为滤波电容Cout 的值。负载子电路的结构简单，增加了线性稳压器的稳定性。
并且，由于本发明实施例中的缓冲电路使用了耗尽型NMOS源随结构，一方面使得 节点A和节点B的两个极点均为高频极点，而且由于第一NMOS管的衬偏效应使得节点B的输 出阻抗更小，即
Figure 223538DEST_PATH_IMAGE009
，其中gm_mn1为第一NMOS管MN1的跨 导，gmb_mn1为衬底偏置效应第一NMOS管MN1产生的跨导，所以节点B的极点会更高频，对稳定 性更有利。
另一方面，节点A的电压摆幅最大范围VdsN为：
Figure 526343DEST_PATH_IMAGE010
， 其中VA为节点A的电压，VDD为电源电压VDD，VdsP为第一PMOS管MP1的漏源电压；而第一NMOS管 的栅源电压接近0V，因此节点B的电压摆幅范围VdsN为：
Figure 8140DEST_PATH_IMAGE011
，其中VB为节点B的电压， Vgs_MN1为第一NMOS管MN1的栅源电压，可以看到，节点B的电压最低值非常低，当输出电流较 大时，第一PMOS管MP1可以获得最大的栅源电压，由饱和区漏电流的平方律关系等式：
Figure 421804DEST_PATH_IMAGE012
可知，本发明实施例的结构对比现有技术中使用PMOS 管源随结构的缓冲级而言，在相同的输出电流条件下，本发明实施例中的第一PMOS管MP1的 面积缩小了将近一半！
且本发明实施例中的第一NMOS管MN1源随结构选择耗尽型是因为：当线性稳压器的负 载电流非常小甚至接近0时，节点A的电压为：
Figure 305446DEST_PATH_IMAGE013
，节点B的电压为：
Figure 779153DEST_PATH_IMAGE014
，若第一NMOS管MN1使用增强型NMOS管，增强型NMOS的阈值电压 远高于0V，则第一PMOS管MP1的栅源电压为
Figure 13825DEST_PATH_IMAGE015
，会导致第一PMOS管MP1 不能关闭，使得输出电压失控；当第一NMOS管MN1采用耗尽型NMOS时，节点B的电压为
Figure 965601DEST_PATH_IMAGE016
，则第一PMOS管MP1的栅源电压约为
Figure 969329DEST_PATH_IMAGE017
， 第一PMOS管MP1截止，线性稳压器正常工作。
如图2所示，在另一实施例中，该低功耗低压差线性稳压器包括误差放大电路、输出电路和缓冲电路，所述缓冲电路分别连接于所述误差放大电路和所述输出电路，所述误差放大电路接收基准电压VREF和反馈电压VFB并输出比较信号，所述缓冲电路将所述比较信号进行缓冲后发送至所述输出电路，输出电路将反馈电压VFB输出至所述误差放大电路进行比较；所述缓冲电路包括第一NMOS管MN1，所述第一NMOS管MN1连接于所述误差放大电路输出端Vout和所述输出电路中的第一PMOS管MP1。
具体地，该第一NMOS管MN1为耗尽型NMOS管。
具体地，误差放大电路包括接收基准电压VREF的第二PMOS管MP2、接收反馈电压VFB的第三PMOS管MP3以及第四PMOS管MP4，所述第二PMOS管MP2和所述第三PMOS管MP3通过所述第四PMOS管MP4连接于电源电压VDD；所述误差放大电路还包括第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5，所述第二NMOS管MN2连接于所述第二PMOS管MP2和所述第四NMOS管MN4、所述第三NMOS管MN3连接于所述第三PMOS管MP3和所述第五NMOS管MN5，所述第四NMOS管MN4连接于所述第五PMOS管MP5、所述第五NMOS管MN5连接于所述第六PMOS管MP6。
具体地，缓冲电路还包括第六NMOS管MN6和第七PMOS管MP7，所述第六NMOS管MN6的漏极连接于所述第一NMOS管MN1的源极，源极接地GND，栅极连接于所述第三NMOS管MN3的栅极和漏极以及第五NMOS管MN5的栅极；所述第七PMOS管MP7的源极连接于电源电压VDD、漏极连接于所述第一NMOS管MN1的源极和所述第一PMOS管MP1的栅极；所述第一NMOS管MN1栅极连接于第五NMOS管MN5的漏极和第六PMOS管MP6的漏极，漏极连接于电源电压VDD。
具体地，线性稳压器还包括偏置电路，所述偏置电路包括第二偏置电流源IB和第八PMOS管MP8，所述第八PMOS管MP8的源极连接于电源电压VDD、漏极通过所述第二偏置电流源IB接地GND、栅极连接于漏极和所述第四PMOS管MP4的的栅极以及所述第七PMOS管MP7的栅极。
具体地，第二PMOS管MP2和所述第三PMOS管MP3的源极连接于所述第四PMOS管MP4的漏极，所述第四PMOS管MP4的源极连接于电源电压VDD；所述第二PMOS管MP2的栅极接收基准电压VREF、漏极连接于所述第二NMOS管MN2的漏极和栅极；所述第三PMOS管MP3的栅极接收反馈电压VFB、漏极连接于所述第三NMOS管MN3的漏极和栅极；所述第二NMOS管MN2的源极接地GND、栅极与漏极相连并连接于所述第四NMOS管MN4的栅极；所述第三NMOS管MN3的源极接地GND、栅极与漏极相连并连接于所述第五NMOS管MN5的栅极；所述第四NMOS管MN4的源极接地GND、漏极连接于所述第五PMOS管MP5的栅极和漏极；所述第五NMOS管MN5的源极接地GND、漏极连接于所述第六PMOS管MP6的栅极和漏极；所述第五PMOS管MP5和所述第六PMOS管MP6的栅极相互连接、源极连接于电源电压VDD。
具体地，输出电路包括分压反馈子电路和负载子电路；所述分压反馈子电路包括串联的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端连接于所述第一PMOS管MP1的漏极、另一端连接于所述第三PMOS管MP3的栅极用以输出反馈电压VFB至所述第三PMOS管MP3，所述第一电阻R1的另一端还通过所述第二电阻R2接地GND。
在具体实施例中，负载子电路包括第三电阻RESR、滤波电容Cout和负载电阻RL，所述第三电阻RESR和所述负载电阻RL的一端连接于所述第一PMOS管MP1的漏极和输出电路的输出端Vout，所述第三电阻RESR的另一端通过滤波电容Cout接地GND，所述负载电阻RL的另一端接地GND。
该实施例的工作原理为：
第四PMOS管MP4、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8构成偏置电路；差分输入对管第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3、三对电流镜第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4、第三NMOS管MN3和第五NMOS管MN5、第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6构成放大电路；耗尽型NMOS管第一NMOS管MN1MN1和第六NMOS管MN6组成缓冲电路；第一PMOS管MP1为输出功率管；第一电阻R1和第二电阻R2为分压反馈网络；滤波电容Cout为外部输出滤波电容，第三电阻RESR为电容串联等效电阻。
本实施例中的线性稳压器有三个明显的极点：节点A、节点B和输出端Vout；
输出端Vout的主极点：
Figure 817199DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure 273588DEST_PATH_IMAGE019
为输出 端Vout看到的阻抗；
节点A和节点B的非主极点分别为：
Figure 294634DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 887289DEST_PATH_IMAGE021
，其中RA为误差放 大电路的输出电阻，
Figure 702798DEST_PATH_IMAGE022
，CA为节点A的寄生电容； RB为B点输出电 阻，
Figure 849746DEST_PATH_IMAGE023
，CB为第一PMOS管MP1的栅极寄生电容；
ESR零点为：
Figure 408903DEST_PATH_IMAGE024
。
由于节点B的摆幅较大，低电平电压仅为第六NMOS管MN6的漏源电压，第一PMOS管MP1可以获得最大的栅源电压，第一PMOS管MP1的尺寸可以大大减小，当第一PMOS管MP1的尺寸减小的同时还会减小节点B的寄生电容，极点进一步推向高频，可以获得更好的相位裕度。
第七PMOS管MP7用于轻负载时将第六NMOS管MN6的电流进行分流，使得流过第一NMOS管MN1的电流减小，进一步减小节点A和节点B间的电压差，使得节点B的电压更高。
本实施例中的线性稳压器静态功耗很低，而且不会随着负载电流而变化，而且可以获得300mA以上的驱动能力。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种低功耗低压差线性稳压器，包括误差放大电路和输出电路，其特征在于，所述线性稳压器还包括缓冲电路，所述缓冲电路分别连接于所述误差放大电路和所述输出电路，所述误差放大电路接收基准电压和反馈电压并输出比较信号，所述缓冲电路将所述比较信号进行缓冲后发送至所述输出电路，输出电路将反馈电压输出至所述误差放大电路进行比较；所述缓冲电路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管连接于所述误差放大电路输出端和所述输出电路中的第一PMOS管。
2.根据权利要求1所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一NMOS管为耗尽型NMOS管。
3.根据权利要求2所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一NMOS管的栅极连接于所述误差放大电路的输出端、漏极连接于电源电压、源极通过第一偏置电流源接地；
所述第一PMOS管的栅极连接于所述第一NMOS管的源极、源极连接于电源电压、漏极通过分压电阻接地。
4.根据权利要求2所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述误差放大电路包括接收基准电压的第二PMOS管、接收反馈电压的第三PMOS管以及第四PMOS管，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管通过所述第四PMOS管连接于电源电压；
所述误差放大电路还包括第五PMOS管、第六PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第二NMOS管连接于所述第二PMOS管和所述第四NMOS管、所述第三NMOS管连接于所述第三PMOS管和所述第五NMOS管，所述第四NMOS管连接于所述第五PMOS管、所述第五NMOS管连接于所述第六PMOS管。
5.根据权利要求4所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述缓冲电路还包括第六NMOS管和第七PMOS管，所述第六NMOS管的漏极连接于所述第一NMOS管的源极，源极接地，栅极连接于所述第三NMOS管的栅极和漏极以及第五NMOS管的栅极；所述第七PMOS管的源极连接于电源电压、漏极连接于所述第一NMOS管的源极和所述第一PMOS管的栅极；
所述第一NMOS管栅极连接于所述第五NMOS管的漏极和所述第六PMOS管的漏极，漏极连接于电源电压。
6.根据权利要求5所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述线性稳压器还包括偏置电路，所述偏置电路包括第二偏置电流源和第八PMOS管，所述第八PMOS管的源极连接于电源电压、漏极通过所述第二偏置电流源接地、栅极连接于漏极和所述第四PMOS管的的栅极以及所述第七PMOS管的栅极。
7.根据权利要求4所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的源极连接于所述第四PMOS管的漏极，所述第四PMOS管的源极连接于电源电压；
所述第二PMOS管的栅极接收基准电压、漏极连接于所述第二NMOS管的漏极和栅极；所述第三PMOS管的栅极接收反馈电压、漏极连接于所述第三NMOS管的漏极和栅极；
所述第二NMOS管的源极接地、栅极与漏极相连并连接于所述第四NMOS管的栅极；所述第三NMOS管的源极接地、栅极与漏极相连并连接于所述第五NMOS管的栅极；所述第四NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第五PMOS管的栅极和漏极；所述第五NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第六PMOS管的栅极和漏极；
所述第五PMOS管和所述第六PMOS管的栅极相互连接、源极连接于电源电压。
8.根据权利要求4所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出电路包括分压反馈子电路和负载子电路；所述分压反馈子电路包括串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接于所述第一PMOS管的漏极、另一端连接于所述第三PMOS管的栅极用以输出反馈电压至所述第三PMOS管，所述第一电阻的另一端还通过所述第二电阻接地。
9.根据权利要求8所述的低功耗低压差线性稳压器，其特征在于，所述负载子电路包括第三电阻、滤波电容和负载电阻，所述第三电阻和所述负载电阻的一端连接于所述第一PMOS管的漏极和输出电路的输出端，所述第三电阻的另一端通过滤波电容接地，所述负载电阻的另一端接地。
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