專利名稱：基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)ldo電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，用于低壓降穩(wěn)壓電路(Low-dropout Regulator, LD0)的設(shè)計(jì)，具體涉及一種利用電流控制環(huán)路提高LDO瞬態(tài)響應(yīng)能力的電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電源類集成電路是電子系統(tǒng)不可缺少的組成部分。低壓降穩(wěn)壓器LDO作為電源類集成電路的一種，因其使用靈活、受電源電壓影響小、輸出紋波小等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用。圖IA是一種典型的LDO電路結(jié)構(gòu)，采用電阻網(wǎng)絡(luò)采樣與運(yùn)算放大器(Operational Amplifier, 0P)放大誤差電壓。這是一種典型的二階環(huán)路，圖IB是該環(huán)路的傳輸模型。盡管LDO有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但仍然有幾個(gè)方面的問(wèn)題限制了 LDO的使用，其中較為突出的就是瞬態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題。圖IC是典型LDO電路在負(fù)載階躍變化時(shí)的輸出電壓波形。典型LDO電路對(duì)負(fù)載的瞬態(tài)變化的響應(yīng)能力有限，導(dǎo)致LDO的輸出電壓出現(xiàn)較大的波動(dòng)。決定瞬態(tài)響應(yīng)能力的主要因素來(lái)源于LDO環(huán)路的阻尼因子ζ和固有頻率ωη，二者的乘積決定環(huán)路系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。由于LDO中功率管面積較大，其柵電容的容值相應(yīng)的較大，例如在 0. 35 μ m工藝下10000 μ m寬度的功率管的柵電容就可達(dá)50pF以上，這是導(dǎo)致環(huán)路時(shí)間常數(shù)過(guò)大的重要因素之一。此外，常見(jiàn)的LDO結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)參考電壓來(lái)自于1.23V輸出的帶隙基準(zhǔn)電壓源，1. 23V的帶隙基準(zhǔn)電壓限制了輸出電壓的范圍，無(wú)法產(chǎn)生低于IV的電壓輸出。對(duì)于LDO電路而言，負(fù)載能力決定了功率管的尺寸，基準(zhǔn)參考電位又限制了輸出電壓的高低，因此提高LDO電路對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化的響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)較低的電壓輸出，必須克服LDO電路本身的固有問(wèn)題，以新的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓和快速響應(yīng)的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
如前文所述，典型的LDO電路對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化缺乏足夠快的響應(yīng)，且無(wú)法產(chǎn)生低于參考基準(zhǔn)電壓的輸出。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO電路。圖2是該LDO的功能結(jié)構(gòu)示意圖，其主要的技術(shù)思想為1.對(duì)輸出電壓的采樣方式由電阻網(wǎng)絡(luò)采樣改為電壓緩沖器直接采樣；典型LDO電路使用電阻網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓，采樣精度受電阻網(wǎng)絡(luò)比例精度的限制，特別是使用片外分立電阻元件時(shí)，采樣精度無(wú)法保證，在本文公開(kāi)的LDO電路中使用電壓緩沖器采樣輸出電壓，具有很高的采樣精度；2.對(duì)采樣電壓進(jìn)行“電壓-電流”的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)作為環(huán)路的運(yùn)算信號(hào)載體；典型LDO電路中使用電壓信號(hào)作為環(huán)路的運(yùn)算物理量，而電流信號(hào)無(wú)論在響應(yīng)速度還是控制精度上都優(yōu)于電壓信號(hào)；3.引入基準(zhǔn)參考電流作為環(huán)路的基準(zhǔn)源，使用電流求差的方式進(jìn)行誤差求??；電流信號(hào)可以使用簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)電流求差的方式進(jìn)行誤差電流求取，較之典型LDO電路中的誤差電壓放大更精確，響應(yīng)更迅速；4.用跨導(dǎo)放大器(Operational Transconductance Amplifier，0ΤΑ)取代運(yùn)算放大器OP成為核心誤差放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差電流的放大；5.利用環(huán)路濾波器對(duì)誤差電流進(jìn)行積分，并形成對(duì)功率管的控制電壓；具有低通特性的環(huán)路濾波器能夠有效濾除參考電流和外部的高頻干擾，在保證環(huán)路響應(yīng)速度的前提下能有效提高環(huán)路的穩(wěn)定性，減小輸出紋波；6.利用電流信號(hào)參與運(yùn)算，避免由基準(zhǔn)參考電壓引入的輸出電壓限制，可以產(chǎn)生較低的輸出電壓?；趫D2的功能結(jié)構(gòu)示意圖，本文提出的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO的電路圖如圖3所示。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面1.利用運(yùn)算放大器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣精度較高，而且利用電阻Rtl和R1的不同比例可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超低輸出電壓的采樣；2.將采樣電壓轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)與基準(zhǔn)參考電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，電流信號(hào)響應(yīng)速度更快，控制精確；3.差值電流僅驅(qū)動(dòng)跨導(dǎo)放大器OTA內(nèi)部源極跟隨器的柵極電容，響應(yīng)迅速；4.差值電流經(jīng)內(nèi)部源極跟隨器放大，驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器，具有低通屬性的環(huán)路濾波器可以濾除環(huán)路的高頻信號(hào)，提高環(huán)路穩(wěn)定性；5.由于功率管的尺寸通常較大，其柵電容的容值也相應(yīng)較大，因此一般可以利用功率管的柵電容充當(dāng)環(huán)路濾波電容，從而可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)；6.輸出電壓不受基準(zhǔn)參考電壓的限制，可以實(shí)現(xiàn)超低電壓輸出。


圖1典型LDO的電路結(jié)構(gòu)㈧、環(huán)路模型⑶和瞬態(tài)響應(yīng)的輸出電壓波形(C)；圖2本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO的功能結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO的電路結(jié)構(gòu)圖；圖4本文公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO的控制環(huán)路模型；圖5圖4的環(huán)路對(duì)階躍響應(yīng)的輸出波形及其包絡(luò)曲線㈧、環(huán)路的阻尼因子與固有頻率的關(guān)系曲線(B)；圖6圖3所示電路中跨導(dǎo)放大器OTA的小信號(hào)模型；圖7圖3所示電路各項(xiàng)指標(biāo)與偏置電壓Vb的關(guān)系；圖8圖3所示電路負(fù)載正向階躍時(shí)的電壓輸出(A)、負(fù)載負(fù)向階躍時(shí)的電壓輸出 ⑶；圖9圖3所示電路的電源抑制效果。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng) LDO的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO由電壓緩沖器、跨導(dǎo)放大器、環(huán)路濾波器和功率管組成，片外還帶有片外負(fù)載。電壓緩沖器作為電壓采樣模塊， 由運(yùn)算放大器0P、電阻R0和R1組成，輸出電壓V。ut連接至運(yùn)算放大器OP的同相輸入端，運(yùn)算放大器OP的輸出端Vs連接到電阻Rtl的一端，同時(shí)還連接到跨導(dǎo)放大器OTA的輸入管Mtl 的柵極，電阻Rtl的另一端連接到運(yùn)算放大器OP的反相輸入端和電阻R1的一端，電阻R1的另一端接地?？鐚?dǎo)放大器OTA由匪OS輸入管M。、匪OS管共源共柵電流鏡MpM2J^M4和PMOS 管共源共柵電流鏡M5、M6、M7、M8，以及NMOS管射極跟隨器M9、M1Q組成，其中M0管的柵極作為 OTA的輸入端，連接到運(yùn)算放大器OP的輸出端\，M1管柵漏短接并連接到M4管的柵極和M0 管的源極，M2管柵漏短接并連接到M3管的柵極和M1管的源極，M2管的源極接地，M3管的漏極連接M4管的源極，M3管的源極接地，M4管的漏極連接M9管的柵極和M5管的漏極，M5管的柵極連接M8管的柵極和漏極并作為參考電流的輸入端，M5管的源極連接M6管的漏極， M6管的柵極連接M7管的柵極和漏極，并連接到M8管的源極，M6管和M7管的源極接電源，M9 管的漏極接電源，M9管的源極連接Mltl管的漏極并作為跨導(dǎo)放大器OTA的輸出連接到功率管 M11的柵極以及環(huán)路濾波器Cint的一端，M10管的源極接地，柵極連接偏置電壓\。環(huán)路濾波器Cint的另一端接地。NMOS功率管M11的漏極接電源，源極作為整個(gè)LDO的輸出B。ut連接到片外去耦電容Q的一端和負(fù)載&的一端，去耦電容Q的另一端和負(fù)載&的另一端均接地。工作過(guò)程中，電壓緩沖器采樣輸出電壓V。ut，跨導(dǎo)放大器OTA對(duì)采樣電壓完成“電壓-電流”的轉(zhuǎn)換，并與基準(zhǔn)參考電流進(jìn)行比較，差值電流經(jīng)環(huán)路濾波器積分后形成功率管的控制電壓。穩(wěn)態(tài)條件下，跨導(dǎo)放大器OTA不產(chǎn)生對(duì)環(huán)路濾波電容Cint的充電或放電電流， 環(huán)路滿足[Equ. 1]，其中K為NMOS管共源共柵電流鏡的電流放大系數(shù)，Vc為OTA輸入管M0 的源極電壓。
1W f R +Rλ^p--Vout-Vc -K = Iref[Equ.l]
1L0 V Kl
10032] 動(dòng)態(tài)情況下，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)輸出電壓V。ut出現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)，采樣電壓Vs相應(yīng)的下降，導(dǎo)致OTA輸入管Mtl的漏電流減小，跨導(dǎo)放大器OTA產(chǎn)生對(duì)環(huán)路濾波器Cint的充電電流，使得NMOS型功率管M11的柵壓上升，增大對(duì)負(fù)載的電流供給能力，避免輸出電壓V。ut 的下降。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，采樣電壓\相應(yīng)的上升，導(dǎo)致OTA輸入管M0的漏電流增大，跨導(dǎo)放大器OTA產(chǎn)生對(duì)環(huán)路濾波電容Cint的放電電流，使得功率管M11的柵壓下降，減弱對(duì)負(fù)載的電流供給能力，避免輸出電壓V。ut的上升。圖4所示為本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO電路的環(huán)路模型，其中A1為電壓緩沖器的增益，Gm為跨導(dǎo)放大器OTA的跨導(dǎo)，Cint為環(huán)路濾波器，gm為功率管的跨導(dǎo)，Cl為片外去耦電容，Rl為片外負(fù)載。環(huán)路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為[Equ. 2]所示
權(quán)利要求
1. 一種低壓降穩(wěn)壓器LDO的電路結(jié)構(gòu)，包括借鑒電荷泵式鎖相環(huán)的環(huán)路控制方法，將反饋電壓轉(zhuǎn)換成電流，以電流信號(hào)為載體與基準(zhǔn)參考電流比較，差值電流經(jīng)積分后控制功率管；電路結(jié)構(gòu)包括電壓緩沖器、跨導(dǎo)放大器、環(huán)路濾波器、功率管和片外負(fù)載五個(gè)部分，具體的電路形式為由運(yùn)算放大器(0P)、電阻(R0)和(R1)構(gòu)成電壓緩沖器，其中運(yùn)算放大器(OP)的同相輸入端連接至低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)電路的電壓輸出端(V。ut)，運(yùn)算放大器(OP)的輸出端(Vs)連接到電阻(Rtl)的一端和跨導(dǎo)放大器輸入管(Mtl)的柵極，電阻(Rtl)的另一端連接電阻(R1)的一端和運(yùn)算放大器 (OP)的反相輸入端，電阻(R1)的另一端接地；NMOS晶體管(Mc^MpMyMpMpMyMici)和PMOS 晶體管(M5、M6、M7、M8)構(gòu)成跨導(dǎo)放大器，輸入管(Mtl)的柵極連接運(yùn)算放大器(OP)的輸出 (Vs)，(M0)的漏極接電源，(M0)的源極連接(M1)管的漏極、柵極和(M4)管的柵極，(M1)管的源極連接(M2)管的柵極、漏極和(M3)管柵極，(M2)管的源極接地，(M3)管的源極接地，(M3) 管的漏極連接(M4)管的源極，(M4)管的漏極連接(M5)管的漏極和(M9)管的柵極，(M5)管的柵極連接(M8)管的柵極和漏極，(M5)管的源極連接(M6)管的漏極，(M6)管的柵極連接(M7) 管的柵極、漏極和(M8)管的源極，(M6)管的源極接電源，(M7)管的源極接電源，(M8)管的漏極作為參考電流(Iref)的輸入端，(M9)管的漏極接電源，(M9)管的源極連接(Mltl)管的漏極， 并連接到環(huán)路濾波器(Cint)的一端和功率管(M11)的柵極，環(huán)路濾波器(Cint)的另一端接地， (M10)管的柵極連接偏置電壓(Vb)，(M10)管的源極接地；功率管(M11)的漏極接電源，(M11) 的源極作為(LDO)電路的輸出(V。ut)連接去耦電容(Cl)的一端和負(fù)載( )的一端，去耦電容(CJ的另一端接地，負(fù)載(RJ的另一端接地。
全文摘要
對(duì)負(fù)載的瞬態(tài)變化的響應(yīng)能力是反應(yīng)低壓降穩(wěn)壓器LDO性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本發(fā)明借鑒電荷泵式鎖相環(huán)的環(huán)路控制方法，公開(kāi)了一種基于電流控制環(huán)路的低輸出電壓快速響應(yīng)LDO結(jié)構(gòu)，將反饋電壓轉(zhuǎn)換為電流，控制環(huán)路中以電流信號(hào)為載體進(jìn)行運(yùn)算，差值電流經(jīng)環(huán)路濾波器積分后形成功率管的控制電壓。基于電流控制環(huán)路的低壓降穩(wěn)壓器對(duì)負(fù)載的瞬態(tài)變化具有良好響應(yīng)能力，并且可以產(chǎn)生低于典型帶隙基準(zhǔn)電壓的電壓輸出。本發(fā)明公開(kāi)的基于電流控制環(huán)路的快速響應(yīng)LDO電路由電壓緩沖器、跨導(dǎo)放大器、環(huán)路濾波器、功率管和片外負(fù)載組成。
文檔編號(hào)G05F1/56GK102298407SQ20101020999
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者樂(lè)大珩, 何小威, 吳了, 孫巖, 張民選, 李少青, 段志奎, 王麗萍, 王志鵬, 謝倫國(guó), 趙振宇, 郭陽(yáng), 陳吉華, 馬卓 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)