CN222506801U

CN222506801U - 一种宽带宽高psr的无片外电容低压差线性稳压器

Info

Publication number: CN222506801U
Application number: CN202421233451.5U
Authority: CN
Inventors: 蔡超波; 卢振贤; 宋树祥; 范晨影; 覃玉鑫; 蒋凌霞
Original assignee: Guangxi Normal University
Current assignee: Guangxi Normal University
Priority date: 2024-06-01
Filing date: 2024-06-01
Publication date: 2025-02-18
Anticipated expiration: 2034-06-01

Abstract

本实用新型公开了一种宽带宽高电源抑制(PSR)能力的无片外电容低压差线性稳压器(LDO)，所述LDO电路包括电源抑制增强电路和频率补偿电路。电源抑制增强电路不仅可以扩展整体环路带宽，提高负载电流响应速度，还可以提升LDO中高频段的电源抑制能力；基于前馈电容补偿技术和带有调零电阻的Miller补偿技术的频率补偿电路，可以提供两个左半平面的零点用于保证LDO整体环路在全负载电流变化范围内都具备足够的相位裕度、增益裕度，以确保LDO的稳定运行。本实用新型具有较快的负载响应速度和宽带宽、高PSR等优点。

Description

一种宽带宽高PSR的无片外电容低压差线性稳压器

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种宽带宽高PSR的无片外电容低压差线性稳压器。

背景技术

片上系统(SOCs)应用中的电源管理单元通常包含开关功率转换器DC-DC模块以及LDO模块。DC-DC模块由于输出的电压波动较大，常用于驱动对噪声不敏感的模块，如处理器电路。而LDO模块通常级联在高效率的开关稳压器之后，以过滤开关噪声并为噪声敏感的电路如传感器、功率放大器等模块提供相对干净的驱动电压。外接有uF级别电容的LDO虽然具备良好的电源抑制特性，但是不利于集成，而且随着SOCs的发展，来自电源上的随机噪声对噪声敏感电路功能的恶化变得越来越明显。因此，在较宽频率范围内依旧具备高的PSR特性的无片外电容LDO有待研究与开发。

实用新型内容

本实用新型提供了一种宽带宽高电源抑制能力的无片外电容低压差线性稳压器，

所述无片外电容的低压差线性稳压器(LDO)包括电源抑制增强电路和频率补偿电路。电源抑制增强电路不仅可以扩展整体环路带宽，提高负载电流响应速度，还可以提升LDO中高频段的电源抑制能力；基于前馈电容补偿技术和带有调零电阻的Miller补偿技术的频率补偿电路，可以提供两个左半平面的零点用于保证LDO整体环路在全负载电流变化范围内都具备足够的相位裕度、增益裕度，以确保LDO的稳定运行。

所述电源抑制增强电路包括1个理想电流源IREF，1个电阻R1，2个电容C1、C2，6个NMOS管，8个PMOS管。其中电流源的第一个端子连接至LDO的输入引脚LDO_IN；电流源的第二个端子、MN1的漏极与栅极、MN2的栅极、MN6的栅极相互连接，网络标识为VBN。MN1的源极、MN2的源极、MN3的源极、MN4的源极电容C2的第二个端子、MN5的源极、MN6的源极均量至电源地AVSS；MN2的漏极、MP1的漏极与栅极、MP2的栅极、R1的第一个端子相互连接，网络标识为VBP。MP1的源极、MP2的源极、MP3的源极、MP4的源极、MP6的源极、MP7的源极均连接至LDO的输入引脚LDO_IN端。MP2的漏级、MP3的漏极、MN3的漏极与栅极、MN4的栅极相互连接；电阻R1的第二个端子、电容C1的第一个端子、MP4栅极相互连接；电容C1的第二个端子连接至电源地AVSS。MP3的栅极、MP4的漏极、MP5的源极、MP6的栅极与漏极、MP7的栅极、MN5的漏极相互连接，网络标识名称为VG。MP5的漏极、C2的第一个端子、MN4的漏极、MN5的栅极相互连接；MP5的栅极、MP8的漏极、MN6的漏极相互连接，网络标识名称为VSSF；MP7的漏极、MP8的源极连接至LDO的输出引脚LDO_OUT端。

所述频率补偿电路包含2个电容Cc、CF，3个电阻Rz、RF1、RF2，1个误差放大器EA。其中电阻Rz的第一个端子连接至网络标识名称为VSSF处；Rz的第二个端子与电容Cc的第二个端子相连；Cc的第一端子与误差放大器的输出端子均连接至MP8的栅极。EA的同相输入端与LDO的参考电压输入引脚VREF相连；EA的反相输入端、电阻RF1的第二个端子、电容CF的第二个端子、电阻RF2的第一个端子相互连接；RF1的第一个端子与CF的第一个端子相互连接至LDO的输出引脚LDO_OUT端；电阻RF2的第二个端子连接至电源地AVSS端。

优选的，所述频率补偿电路中的误差放大器EA采用以PMOS为输入对管的折叠共源共栅放大器，且误差放大器EA的电源电压来自于LDO的输出端。

本实用新型的技术特点和效果：

本实用新型采用了超级源随器与翻转电压跟随器相融合的拓扑结构，可实现环路带宽的扩展，提高了LDO的负载瞬态特性；采用了前馈纹波抵消技术以优化LDO中高频段的PSR特性；采用了Miller补偿以及前馈电容补偿技术可保证LDO环路的稳定性。该LDO在输入电压1.2V，输出1V，负载电容CL波动范围为10pF～200pF条件下，当负载电流在0.5us内从0mA到50mA突变，能够在1us内恢复至理想数值且误差小于0.1％，具有良好的负载响应效果。在0～50mA的负载变化下，低频PSR数值均达到90dB，PSR的频率带宽超过10MHz，并且中频段PSR最大可以实现12dB提升。本实用新型具有较快的负载响应速度、宽带宽、高PSR等优点。

附图说明

图1为本实用新型的总体电路图；

图2(a、b)描述了本实用新型在不同负载电流下的环路稳定性仿真结果；

图3(a、b、c)描述了本实用新型的负载瞬态仿真结果；

图4描述了本实用新型在不同负载电流下的电源抑制能力仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细地描述，便于获得更好的理解。

在电源管理类芯片中，低压差线性稳压器通常级联在高效率的开关稳压器后为电路中的其他模块提供电源电压，而开关稳压器的输出电压纹波较大，因此LDO需要具备很好的PSR特性才能滤除来自开关稳压器输出端的随机噪声，以保证后续电路模块的稳定工作。

本实用新型的无片外电容低压差线性稳压器如图1所示，包括电源抑制增强电路、频率补偿电路。该LDO输入电压LDO_IN为1.2V，其输出电压为1V，电源抑制比电路中的理想电流源IREF提供2uA的偏置电流，频率补偿电路中的误差放大器EA采用以PMOS为输入对管的折叠共源共栅放大器，以保证LDO的低频PSR特性，其反馈电阻RF1、RF2比值为1:1。由于误差放大器EA的虚短特性，因此其同相端所接的参考电压VREF为0.5V的直流电压，用于确定EA的静态工作点。

本实用新型所述电源抑制比增强电路中理想电流源IREF、MN1管、MN2管、MP1管组成偏置电路，其中电流源提供的电流与二极管接法的MN1管产生偏置电压VBN，为MN6管提供偏置电压；MN2管与MN1管构成1:1的电流镜，将理想电流源中的电流复制后与二极管接法的MP1产生偏置电压VBP，可为MP2管、MP4管提供偏置电压。MP2管与MP1管构成1:3的电流镜，可将MP1管所在支路的电流放大3倍后作为MN3的参考输入电流；MN3管与MN4管形成1:1的电流镜，将MN3管所在支路的电流复制到MN4管并用于确定流入MP5管的偏置电流大小；MN6管与MN1管组成电流镜，镜像MN1管所在支路的电流后用于确定MP8管所流入的电流大小。MP3管、MP6管以及功率晶体管MP7的栅极相互连接并且源极也处于同为电位，故3个PMOS管的VSG电压差将会保持一致，因此MP3管、MP6管可用于检测MP7管所产生的电流大小，从而可以间接地检测负载电流波动。当负载电流突增所导致的MP7管的栅极电压发生下降时，MP3管会产生更多的电流注入MN3管的漏端，再经过MN4管的镜像后使得流入MP5管的电流增大，增强了MP5管的驱动能力；MP6管也会产生更多的电流流入MN5管，使得MN5管的负反馈效果更强，降低MP5管源极处的等效电阻，并且二极管接法的MP6管具有较低的输出阻抗，进一步使得源随器的输出阻抗降低，从而提高缓冲级的驱动能力。其中所述自适应偏置的源随器的输出阻抗可近似表示为：

由于该结构具有极低的输出阻抗，从而可以将功率晶体管MP7栅级所对应的极点推到更高的频率处，从而不影响环路的稳定性。另外，MP8管、MP5管、MP7管构成一个快速的局部负反馈环路，当负载存在快速突变的过程中，MP8管作为共栅级放大器可以检测LDO_OUT处的欠冲，并以很小的延迟后经过MP5管反馈至功率管的栅端，从而实现了一个快速的局部负反馈环路来改善负载瞬态响应特性，并且由于负反馈环路的存在，使得MP8管源极处的等效阻抗下降为开环状态的其中A_V,Loopgain为环路增益，开环的等效阻抗因此较低的输出阻抗可以将输出端所对应的极点频率推高，从而扩展环路带宽。MN5管与MP5管也存在一个局部的负反馈环路，为了避免由于该内部环路不稳定所引起的LDO主体环路在瞬态阶跃响应中存在抖动的问题，在MN5管的栅极添加一定大小的补偿电容C2。

本实用新型的电源抑制增强电路中，MP1管与MP4管组成电流镜，MP4管所产生的电流一部分流入MP5管，一部分流入MN5管；电阻R1与电容C1可用于产生一个低频极点，对应的极点频率近似表示为：R1与C1形成的低通滤波网络可将MP4的栅极视作交流地，因此MP4管、电阻R1、电容C1形成一个工作频率需超过P_LPF的共栅级放大器，那么来自LDO_IN端的高频电源纹波会被放大后复用至功率晶体管MP7的栅极，所引入的纹波大小可以表示为：其中Vin表示来自LDO_IN端的高频电源纹波大小。功率晶体管MP7在输出端LDO_OUT处所引入的高频纹波电流大小为i_out,MP7＝(g_mp7+g_dsp7)V_in；为了在输出端LDO_OUT端完全抵消MP7管引入的高频纹波电流，需要额外在MP7管栅端引入的前馈纹波电压大小为：因此通过设置MP4管、MP5管、MP6管、MN5管的宽长比使得V_g,FFRC的大小与V_g,optimal相近，从而保证电源纹波在LDO_OUT端相互抵消，提高LDO的PSR特性。

本实用新型中的频率补偿电路中误差放大器EA采用以PMOS为输入对管的折叠共源共栅放大器，该放大器具有比较高的直流增益用于保证LDO低频段的PSR特性，同时该误差放大器EA的电源电压来自于LDO的输出端，可进一步优化LDO低频段的电源抑制能力。由于Miller效应的影响，所添加的补偿电容Cc与误差放大器输出端的等效电阻R_out,EA产生一个极点，该极点的表达式为其中C_tot,EA表示VEA结点处总的电容大小，即C_tot,EA≈[1+g_mp8*(r_dsn6||g_mp8r_dsp8r_dsp7)]，同时该极点也是LDO整个环路的主极点。另外，电阻Rz的与电容Cc还会产生一个零点，对应的零点表达式为：因此可以通过设置电阻Rz的大小来零点的位置，从而提高环路的相位裕度。电阻RF1、RF2、电容CF组成前馈电容补偿网络，会引入一个极点和一个左半平面的零点，对应的表达式为：通过设置电容CF的大小以及反馈电阻RF1、RF2的比例可以控制左半平面零点与极点的相对位置，从而保证LDO在全负载电流变换范围内均具有良好的相位裕度和增益裕度。

本实用新型在不同负载电流大小下的主体环路稳定性仿真结果如图2(a、b)所示，在空载条件下，LDO的相位裕度最小，为41°；最小的单位增益带宽积(UGBW)为3.4MHz，增益裕度(GM)为26dB；当负载电流为50mA时，LDO环路的相位裕度为114°；增益带宽积为8.5MHz，增益裕度为15dB。从仿真结果可以看出，当输入电压1.2V，输出1V，负载电容为100pF时，无论在轻载还是重载，LDO的低频环路增益均处于75dB左右，相位裕度最差为41°，增益裕度最差为15dB。本实用新型通过采用Miller补偿技术与前馈电容补偿技术实现了LDO在全负载电流变化范围内环路的稳定性，从而保证了系统的稳定性要求。

图3(a、b、c)所示为本实用新型LDO的负载瞬态仿真结果，在相同的瞬态测试条件下，仅采用超级源随器来驱动功率晶体管与采用了本实用新型中所提出的缓冲级电路来驱动功率管的瞬态仿真结果对比如图3(a)所示,相比之下，本实用新型LDO的俯冲减小了100mV，响应恢复时间缩短至1us以内。当负载电流在0～50mV变化时，该LDO在不同的负载电容下的瞬态响应曲线如图3(b)所示。从仿真结果可以看出，LDO的下冲量以及下冲恢复时间基本不变，但随着负载电容的增大，所需的过冲恢复时间会有所增大，最大的过冲恢复时间为2us。本实用新型的LDO所接负载电容为100pF，负载电流发生不同程度突变时的瞬态响应曲线如图3(c)所示。当负载电流从0mA突变至10mA时，对应的下冲电压大小为75mV，上冲电压大小为95mV，而负载电流从1mA突变至50mA时，对应的下冲电压为50mV，上冲电压为115mV，均能在1us的时间范围内实现稳定。综上所述，本实用新型给出的无片外电容LDO能在0～50mA，寄生的负载电容为10pF～200pF范围内实现较好的瞬态响应结果。

在输入电压1.2V,负载电容为100pF条件下，本实用新型的特性曲线在不同负载电流的情况下的仿真结果如图4所示。相比于未使用本实用新型所给出的电源抑制增强电路，本实用新型的LDO在低频端的PSR提高了10dB，而针对不同的负载电流大小，在中高频段的PSR提升效果不一致，在空载条件下，所优化的PSR量级最大为12dB左右，随着负载电流的增大，其在最大负载电流的情况下减小为4dB。采用了本实用新型给出的电源抑制增强电路后，LDO在0～50mA的负载变化下，低频PSR数值均达到90dB，PSR的频率带宽超过10MHz。

本实用新型采用带有调零电阻的Miller补偿以及前馈电容补偿技术以保证LDO在全负载电流变化范围内均有足够的相位裕度、增益裕度；采用超级源随器与翻转电压跟随器相结合的拓扑结构来驱动功率晶体管，扩展了环路带宽从而提高LDO的负载瞬态响应特性，并且还将无源一阶低通滤波网络内嵌至缓冲级中，提高了LDO电源抑制能力。

Claims

1.一种宽带宽高PSR的无片外电容低压差线性稳压器，包括电源抑制增强电路和频率补偿电路，其特征在于，所述电源抑制增强电路包括：电流源IREF，电阻R1，电容C1和C2，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5和MN6，PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7和MP8；电流源IREF的第一个端子连接至本LDO的输入引脚LDO_IN端；电流源IREF的第二个端子、MN1的漏极与栅极、MN2的栅极、MN6的栅极相互连接，连接点网络标识为VBN；MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6的源极以及电容C2的第二个端子均接至电源地AVSS；MN2的漏极、MP1的漏极与栅极、MP2的栅极以及R1的第一个端子相互连接，连接点网络标识为VBP；MP1、MP2、MP3、MP4、MP6和MP7的源极均连接至本LDO的输入引脚LDO_IN端；MP2的漏级、MP3的漏极、MN3的漏极与栅极、MN4的栅极相互连接；电阻R1的第二个端子、电容C1的第一个端子、MP4的栅极相互连接；电容C1的第二个端子接电源地AVSS；MP3的栅极、MP4的漏极、MP5的源极、MP6的栅极与漏极、MP7的栅极、MN5的漏极相互连接，连接点网络标识为VG；MP5的漏极、C2的第一个端子、MN4的漏极、MN5的栅极相互连接；MP5的栅极、MP8的漏极、MN6的漏极相互连接，连接点网络标识为VSSF；MP7的漏极、MP8的源极均连接至本LDO的输出引脚LDO_OUT端；

所述频率补偿电路包括：电容Cc和CF，电阻Rz、RF1和RF2，误差放大器EA；Rz的第一个端子连接至网络标识VSSF处，Rz的第二个端子与Cc的第二个端子相连；Cc的第一个端子与误差放大器的输出端子均连接至MP8的栅极；EA的同相输入端与LDO的参考电压输入引脚VREF相连；EA的反相输入端、RF1的第二个端子、CF的第二个端子、RF2的第一个端子相互连接；RF1的第一个端子与CF的第一个端子均连接至本LDO的输出引脚LDO_OUT端；RF2的第二个端子接电源地AVSS。