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低功耗快速瞬態(tài)響應低壓差電壓調整器的制作方法

文檔序號:11431910閱讀:287來源:國知局
低功耗快速瞬態(tài)響應低壓差電壓調整器的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及模擬集成電路領域,特別涉及到具有快速瞬態(tài)響應的低壓差電壓調整器。



背景技術:

低壓差電壓調整器是電源管理電路中一個重要的組成部分,通常用在dc-dc開關轉換電路的后級,用作負載點電源,為負載點提供穩(wěn)定可靠的電源電壓,由于其壓降小、psrr高、成本低等優(yōu)點,在便攜式電子產品中得到了廣泛的應用。

在便攜式應用領域,為延長電池供電時間:系統設計方面,通過引入使能關斷功能,在特定的工作模式下,只有部分模塊工作,部分模塊處于關斷狀態(tài),因此在不同工作模式切換過程中,負載電流會瞬間跳變,從幾毫安跳變到幾安培,為了減小負載電流瞬間變化對輸出電壓的影響,這就對低壓差電壓調整器的負載瞬態(tài)響應速度提出了更高的要求。

此外,低壓差電壓調整器自身的轉換效率提高也很重要,影響低壓差電壓調整器轉換效率的兩個主要參數是低壓差電壓和靜態(tài)電流,低壓差要求增大功率管面積,會造成功率管的柵極電容過大,低靜態(tài)電流會影響柵極充放電的壓擺率,從而影響環(huán)路負載瞬態(tài)響應速度。傳統的低壓差電壓調整器結構如圖1所示,vout在負載瞬態(tài)變化時產生尖峰,由于受運放有限靜態(tài)電流限制,輸出功率管柵極vg的充放電延時會很大,vout重新恢復穩(wěn)定需要一定的時間,對于小功率低壓差電壓調整器常用的改善方法是增大運放靜態(tài)電流,但是對于1a以上的大電流電壓調整器,功率管柵極電容很大,單純通過增加靜態(tài)電流提高瞬態(tài)響應,會大幅增加整個ldo的靜態(tài)功耗,因此傳統低壓差電壓調整器無法同時兼顧低功耗和快速負載瞬態(tài)響應。



技術實現要素:

本發(fā)明所要解決的技術問題是,提出一種低壓差電壓調整器結構,在不增加靜態(tài)電流條件下,能夠有效提高低壓差電壓調整器負載瞬態(tài)響應速度。

本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是,低功耗快速瞬態(tài)響應低壓差電壓調整器,包括與輸入偏置電流源連接的誤差放大器、輸入端接高電平輸入端的輸出功率管、反饋比例電阻組,輸出功率管和反饋比例電阻組的連接點作為最終輸出端,其特征在于,在誤差放大器和輸出功率管之間設置有第一放大模塊、瞬態(tài)響應放電通路模塊和驅動器模塊。

所述第一放大模塊包括:

pnp型的第五晶體管q5,其發(fā)射極連接最終輸出端,基極接誤差放大器的輸出端,集電極接第六晶體管的集電極,

npn型的第六晶體管q6,其集電極和基極連接,發(fā)射極接地,基極接驅動器模塊的輸入端,基極還接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端。

瞬態(tài)響應放電通路模塊包括:

npn型的第二晶體管q2,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,其發(fā)射極接地,其集電極接第一偏置電流源;

pnp型的第三晶體管q3,其發(fā)射極接高電平輸入端,基極接第二晶體管q2的集電極,集電極通過第二偏置電流源接地;

npn型的第四晶體管q4,其集電極接最終輸出端,基極接第三晶體管q3的集電極,發(fā)射極接地。

驅動器模塊包括:

第一nmos管mn1,其源極接地,漏極和柵極皆與輸入偏置電流源連接;

第四nmos管mn4,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第六pmos管mp6的漏極;

第五nmos管mn5,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第九晶體管q9的發(fā)射極;

第六nmos管mn6,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第十pmos管mp10的漏極;

第七nmos管mn7,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接驅動器模塊輸出端vg;

第六pmos管mp6,其源極與高電平輸入端連接,柵極與漏極連接;

第七pmos管mp7,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第六pmos管mp6的柵極連接,漏極與第八晶體管q8的集電極連接;

第八pmos管mp8,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第六pmos管mp6的柵極連接,漏極接驅動器模塊輸出端vg;

第九pmos管mp9,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第九晶體管q9的發(fā)射極連接,漏極與第九晶體管q9的基極連接;

第十pmos管mp10,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第九晶體管q9的發(fā)射極連接,漏極與第十晶體管q10的基極連接;

第七晶體管q7,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,發(fā)射極接地,集電極接第九pmos管mp9的漏極;

第八晶體管q8,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,發(fā)射極接地,集電極接第十一晶體管q11的基極;

第九晶體管q9,其集電極接高電平輸入端;

第十晶體管q10,發(fā)射極接驅動器模塊輸出端vg,集電極接輸入高電平;

第十一晶體管q11,集電極接驅動器模塊輸出端vg,發(fā)射極接地。

本發(fā)明的低壓差電壓調整器與現有類似的低壓差電壓調整器相比,引入了ab類輸出結構的驅動器,穩(wěn)態(tài)條件下,驅動器靜態(tài)電流由偏置電流ib決定,負載瞬態(tài)變化條件下,射隨器q10、和共射放大器q11有很強的推拉電流能力,可以對功率管mp柵極vg快速的充放電,提高了輸出功率管柵級vg雙向壓擺率,減小柵極充放電時間,在不用額外增加靜態(tài)電流的條件下大幅度提高電壓差電壓調整器負載瞬態(tài)響應速度。

同時引入bjt晶體管q2、q3、q4和偏置電流ib1、ib2形成的瞬態(tài)響應放電通路,當負載電流從滿載變化到空載的時候,快速釋放輸出電容co上的多余電荷,有效減小負載由大到小瞬態(tài)變化過程中輸出電壓的恢復時間。

附圖說明

圖1為傳統低壓差電壓調整器結構示意圖。

圖2為本發(fā)明快速瞬態(tài)響應低壓差電壓調整器結構示意圖。

圖3本發(fā)明和現有電壓調整器輸出電壓仿真波形對比圖。

圖4為本發(fā)明驅動器電路原理圖。

圖5為本發(fā)明運算放大器電路原理圖。

具體實施方式

本文中,mp表示pmos管,mn表示nmos管,q表示晶體管。下文中,為了便于閱讀,有時以“類型+序號”的方式作為簡寫,例如,以“mn4”作為“第四nmos管mn4”的簡寫,以“q5”作為“第五晶體管q5”的簡寫。

如圖2所示,本發(fā)明包括與輸入偏置電流源連接的誤差放大器、輸入端接高電平輸入端的輸出功率管、反饋比例電阻組,輸出功率管和反饋比例電阻組的連接點作為最終輸出端,其特征在于,在誤差放大器和輸出功率管之間設置有第一放大模塊、瞬態(tài)響應放電通路模塊和驅動器模塊。

所述第一放大模塊包括:

pnp型的第五晶體管q5,其發(fā)射極連接最終輸出端,基極接誤差放大器的輸出端,集電極接第六晶體管的集電極,

npn型的第六晶體管q6,其集電極和基極連接,發(fā)射極接地,基極接驅動器模塊的輸入端,基極還接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端。

瞬態(tài)響應放電通路模塊包括:

npn型的第二晶體管q2,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,其發(fā)射極接地,其集電極接第一偏置電流源;

pnp型的第三晶體管q3,其發(fā)射極接高電平輸入端,基極接第二晶體管q2的集電極,集電極通過第二偏置電流源接地;

npn型的第四晶體管q4,其集電極接最終輸出端,基極接第三晶體管q3的集電極,發(fā)射極接地。

驅動器模塊包括:

第一nmos管mn1,其源極接地,漏極和柵極皆與輸入偏置電流源連接;

第四nmos管mn4,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第六pmos管mp6的漏極;

第五nmos管mn5,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第九晶體管q9的發(fā)射極;

第六nmos管mn6,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接第十pmos管mp10的漏極;

第七nmos管mn7,其源極接地,柵極與第一nmos管mn1的柵極連接,漏極接驅動器模塊輸出端vg;

第六pmos管mp6,其源極與高電平輸入端連接,柵極與漏極連接;

第七pmos管mp7,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第六pmos管mp6的柵極連接,漏極與第八晶體管q8的集電極連接;

第八pmos管mp8,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第六pmos管mp6的柵極連接,漏極接驅動器模塊輸出端vg;

第九pmos管mp9,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第九晶體管q9的發(fā)射極連接,漏極與第九晶體管q9的基極連接;

第十pmos管mp10,其源極與高電平輸入端連接,柵極與第九晶體管q9的發(fā)射極連接,漏極與第十晶體管q10的基極連接;

第七晶體管q7,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,發(fā)射極接地,集電極接第九pmos管mp9的漏極;

第八晶體管q8,其基極接瞬態(tài)響應放電通路模塊的輸入端,發(fā)射極接地,集電極接第十一晶體管q11的基極;

第九晶體管q9,其集電極接高電平輸入端;

第十晶體管q10,發(fā)射極接驅動器模塊輸出端vg,集電極接輸入高電平;

第十一晶體管q11,集電極接驅動器模塊輸出端vg,發(fā)射極接地。

實施例:

本實施例包括:誤差放大器,兩個反饋比例電阻rf1、rf2,輸出功率管mp,驅動器,pnp型第五晶體管q5、第三晶體管q3,npn型第二晶體管q2、第四晶體管q4、第六晶體管q6,具體連接關系為:參考電壓接誤差放大器同向輸入端,第一反饋采樣電阻rf1一端接輸出電壓vout,另一端接誤差放大器反向輸入端,第二反饋采樣電阻rf2一端接誤差放大器反向輸入端,另一端接地,誤差放大器輸出端vea接pnp型第五晶體管q5的基極,第五晶體管q5發(fā)射極接輸出電壓vout,第五晶體管q5集電極接第六晶體管q6的集電極和基級,第五晶體管q5呈共射極放大組態(tài),第六晶體管q6發(fā)射極接地,集電極和基級接在一起連npn型第二晶體管q2的基極和驅動器輸入端,第六晶體管q6和第二晶體管q2以及驅動器內部的第七晶體管q7、第八晶體管q8形成電流鏡結構,驅動器輸出連接pmos功率管mp柵極,pmos功率管mp源極接輸入電壓(高電平輸入端)vin,pmos功率管mp漏極接輸出vout。

第二晶體管q2發(fā)射接地,集電極接pnp晶體管q3的基級和偏置電流ib1,pnp型第三晶體管q3發(fā)射極接電源,集電極接npn型第四晶體管q4的基極和第二偏置電流源ib2,第四晶體管q4的發(fā)射極接地,集電極接輸出電壓vout。

本發(fā)明工作原理為,當負載電流突然增大,會使輸出電壓vout迅速降低,輸出電壓vout的降低通過第五晶體管q5形成的共基組態(tài)使第五晶體管q5集電極電流減小,第五晶體管q5集電極電流通過第六晶體管q6集電極,第六晶體管q6與驅動器內部的第七晶體管q7、第八晶體管q8形成電流鏡結構,第七晶體管q7、第八晶體管q8集電極電流減小,控制驅動器內部的第十晶體管q10集電極電流呈β(npn晶體管電流增益)倍增大,第十一晶體管q11集電極電流呈β倍減小,提高了功率管柵極的負向壓擺率,使調整pmos功率管柵極快速下降,增加功率管輸出電流,抑制vout的瞬態(tài)下降。

當負載電流突然減小,會使輸出電壓vout迅速上升,輸出電壓vout的上升通過第五晶體管q5形成的共基組態(tài)使第五晶體管q5集電極電流增大,第五晶體管q5集電極電流通過第六晶體管q6集電極,第六晶體管q6與驅動器內部的第七晶體管q7、第八晶體管q8形成電流鏡結構,第七晶體管q7、第八晶體管q8集電極電流增大,控制驅動器內部的第十晶體管q10集電極電流呈β(npn晶體管電流增益)倍減小,第十一晶體管q11集電極電流呈β倍增大,提高了功率管柵極的正向壓擺率,使調整pmos功率管柵極快速上升,減小功率管輸出電流,抑制vout的瞬態(tài)上升。

負載電流從重載瞬態(tài)變到空載情況下,由于驅動器延時,功率管柵極vg電壓不能及時調整,功率管不能及時關閉,短時間任然會有很大輸出電流,會對輸出電容co充電,導致輸出電壓上升。為了降低靜態(tài)功耗,反饋比例電阻rf1+rf2=100kω,阻值很大,反饋通路不能對輸出電容co上的多余電荷快速放掉。因此,本發(fā)明增加了npn晶體管q2、q4和pnp晶體管q3以及兩個偏置電流源ib1、ib2形成的瞬態(tài)響應放電通路,在輸出電壓由于負載電流突然減小而升高的過程中,輸出電壓vout的上升通過第五晶體管q5形成的共基組態(tài)使第五晶體管q5集電極電流增大,第五晶體管q5集電極電流通過第六晶體管q6鏡像到第二晶體管q2,第二晶體管q2的集電極電流增加,驅動pnp晶體管第三晶體管q3,第三晶體管q3集電極電流增加,驅動npn型第四晶體管q4電流增加,快速釋放輸出電容co上的多余電荷,有效減小負載由大到小瞬態(tài)變化過程中輸出電壓的恢復時間。

如圖3所示,為輸出電壓2.5v,負載電流10us由5a跳到1ma,再由1ma跳到5a的負載瞬態(tài)響應特性曲線,其中a為現有技術無放電通路的輸出電壓隨負載電流變化曲線,b為本發(fā)明有放電通路的輸出電壓隨負載電流變化曲線。

如圖4所示,本發(fā)明的驅動器電路包括pmos管mp6、mp7、mp8、mp9、mp10,nmos管mn1、mn4、mn5、mn6、mn7,npn晶體管q7、q8、q9、q10、q11,偏置電流ib,具體連接關系為:輸入偏置電流源ib一端連接輸入電壓vin,另一端連接第一nmos管mn1的柵極和漏極,同時連接nmos管mn4、mn5、mn6、mn7的柵極,nmos管mn1、mn4、mn5、mn6、mn7的源極接地,形成電流鏡結構,第四nmos管mn4漏極連接第六pmos管mp6的柵極和漏極,同時連接第七pmos管mp7、第八pmos管mp8的柵極,pmos管mp6、mp7、mp8的源極接輸入電壓vin,形成電流鏡結構,晶體管q7、q8基極連接q6基極和集電極,發(fā)射極接地,形成電流鏡結構,晶體管q7集電極連接mp9漏極和晶體管q9基極,mos管mp9柵極連接mp10柵極、晶體管q9發(fā)射極、mn5漏極,mp9、mp10源極、q9集電極連接輸入電壓vin,mp9、mp10、q9形成快速響應電流鏡結構,mp10漏極連接mn6漏極并和q10基極相連,q10集電極接輸入電壓vin,q10發(fā)射極連接功率柵極vg,形成射極跟隨組態(tài),mn7為其提供偏置電流,q8集電極連接mp7漏極和q11基極,q11發(fā)射極接地,q11集電極連接功率柵極vg,形成共射放大組態(tài),mp8為其提供偏置電流。

ab類輸出結構的驅動器電路工作原理如下,驅動器內部晶體管q7和q8與外部晶體管q6形成電流鏡,鏡像q6集電極電流,然后將電流信號放大,驅動功率管柵極。

穩(wěn)態(tài)工作條件下,通過設計nmos管mn6和pmos管mp7的寬長比,控制npn晶體管q10和q11的工作狀態(tài),使npn晶體管q10的發(fā)射極電流等于nmos管mn7的漏極電流,npn晶體管q11的集電極電流等于pmos管mp8的漏極電流,通過整個系統反饋環(huán)路控制vg電壓,保持輸出電壓穩(wěn)定。

瞬態(tài)條件下,當輸出電流突然增大,輸出電壓下降,q7、q8集電極電流減小,q8電流變化量通過q11放大β(β=110)倍對功率管的柵極電容進行放電,極大的增加放電速度,提高了功率管柵極的負向壓擺率,快速開啟功率管,增加功率管輸出電流,抑制vout的瞬態(tài)下降。當輸出電流突然減小,輸出電壓上升,q7、q8集電極電流增大,q7電流變化量通過mp9、mp10和q9形成的快速響應電流鏡結構鏡像到npn晶體管q10基極,通過q10放大β(β=110)倍對功率管的柵極電容進行充電,極大的增加充電速度,提高了功率管柵極的正向壓擺率,快速關閉功率管,減小功率管輸出電流,抑制vout的瞬態(tài)上升。

如圖5所示,本發(fā)明的誤差放大器電路包括pmos管mp1、mp2、mp3、mp4、mp5,nmos管mn1、mn2、mn3,npn晶體管q1、q2、q3、q4,電阻rc,電容cc,偏置電流ib,具體連接關系為:偏置電流ib一端連接輸入電壓vin,另一端連接nmos管mn1的柵極和漏極,同時連接nmos管mn2、mn3的柵極,nmos管mn1、mn2、mn3的源極接地,形成電流鏡結構,nmos管mn2漏極連接pmos管mp1的柵極和漏極,同時連接pmos管mp2、mp3的柵極,pmos管mp1、mp2、mp3的源極接輸入電壓vin,形成電流鏡結構,mp4柵極連接反饋采樣電壓vfb,漏極連接q1集電極和q1、q2基極,mp5柵極連接參考電壓vref,漏極連接q2集電極,mp4、mp5源極連接mp2漏極,組成差分輸入對管,q1、q2發(fā)射機接地,形成有源負載,q3基極連接q2集電極,發(fā)射極接地,集電極連接mp3漏極,形成放大結構,q4基極連接q3集電極,集電極連接輸入電壓vin,發(fā)射極連接mn3漏極和運放輸出vea,形成跟隨器結構,cc一端連接q3集電極,另一端連接rc,rc一端連接cc,另一端連接q3基極,形成帶有零點的米勒補償結構。米勒補償結構引入一個主極點和一個零點,加上輸出電容引入的第二極點,整個系統帶內包含兩極點一零點,減小了系統對輸出電容esr的依賴性,保證系統環(huán)路的穩(wěn)定性。

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