CN105159382B - 线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性稳压器，包括：误差放大器，电压调整器件和反馈网络。误差放大器包括放大器本体、第一尾电流源和有源负载；放大器本体为差分结构，源端都连接第一尾电流源，负载端连接互为镜像的第一差分有源负载和第二差分有源负载；误差放大器还包括加速启动电路，加速启动电路的第一部分电路为第一差分有源负载的镜像电路，加速启动电路的第二部分电路连接第一部分电路，加速启动电路的第三部分电路为所述第二部分电路的镜像电路，第三部分电路提供第二尾电流到放大器本体两个差分电路的源端。本发明能提高启动速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种线性稳压器。
背景技术
线性稳压器在集成电路中被广泛应用，如图1所示，是现有线性稳压器的电路图；现有线性稳压器包括误差放大器，电压调整器件和反馈网络。
误差放大器包括由NMOS管MN1、MN2、MN3和MN4组成的放大器本体，且放大器本体为共源共栅的差分放大器结构，PMOS管MP1、MP2、MP3和MP4组成有源负载，NMOS管MN5组成尾电流源；偏置电压VB3连接到NMOS管MN5的栅极，偏置电压VB1连接到NMOS管MN2和MN4的栅极，偏置电压VB2连接到PMOS管MP2和MP4的栅极。
电压调整器件由NMOS管MDRV组成，NMOS管MDRV的源极作为输出电压OUT的输出端，反馈网络由电阻R1和R2串联形成。NMOS管MN1的栅极接参考电压VREF，NMOS管MN2的栅极接由电阻R1和R2分压形成的反馈电压。
现有线性稳压器通过反馈电压和参考电压的比较，调节NMOS管MDRV的开启大小，从而在输出电流变化时维持输出电压OUT的稳定。
现有线性稳压器虽然能够实现稳定电压的输出，但是在上电时，会存在直流工作点的建立时间较慢问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种线性稳压器，能提高启动速度。
为解决上述技术问题，本发明提供的线性稳压器包括：误差放大器，电压调整器件和反馈网络。
所述误差放大器包括放大器本体、第一尾电流源和有源负载。
所述放大器本体为差分结构，所述放大器本体的两个差分电路的源端都连接所述第一尾电流源，所述有源负载包括互为镜像的第一差分有源负载和第二差分有源负载，所述第一差分有源负载和所述第二差分有源负载分别连接到所述放大器本体两个差分电路的负载端。
所述误差放大器还包括用于加速线性稳压器启动的加速启动电路，所述加速启动电路的第一部分电路为所述第一差分有源负载的镜像电路，所述加速启动电路的第二部分电路连接所述第一部分电路，所述加速启动电路的第三部分电路为所述第二部分电路的镜像电路，所述第三部分电路提供第二尾电流到所述放大器本体两个差分电路的源端。
进一步的改进是，所述放大器本体的两个差分电路都为共源共栅放大电路。
进一步的改进是，所述放大器本体的第一个差分电路包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述放大器本体的第二个差分电路包括第三NMOS管和第四NMOS管。
所述第一NMOS管的源极和所述第三NMOS管的源极连接在一起作为所述放大器本体的两个差分电路的源端。
所述第一NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的源极，所述第二NMOS管的漏极作为所述第一个差分电路的负载端。
所述第三NMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的源极，所述第四NMOS管的漏极作为所述第二个差分电路的负载端以及作为所述放大器本体的输出端。
所述第一NMOS管的栅极作为第一个差分电路的输入端并接参考电压。
所述第三NMOS管的栅极作为第二个差分电路的输入端并接所述反馈网络输出的反馈电压。
所述第二NMOS管的栅极连接所述第四NMOS管的栅极都接第一偏置电压。
进一步的改进是，所述第一差分有源负载包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第二差分有源负载包括第三PMOS管和第四PMOS管。
所述第一PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极都接电源电压。
所述第一PMOS管的漏极连接所述第二PMOS管的源极，所述第三PMOS管的漏极连接所述第四PMOS管的源极。
所述第一PMOS管的栅极、所述第三PMOS管的栅极和所述第二PMOS管的漏极都连接所述第二NMOS管的漏极。
所述第四PMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的漏极。
所述第二PMOS管的栅极和所述第四PMOS管的栅极都连接第二偏置电压。
进一步的改进是，所述第一尾电流源包括第五NMOS管，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接第三偏置电压。
进一步的改进是，所述加速启动电路的第一部分电路包括第五PMOS管和第六PMOS管，所述第五PMOS管的源极接电源电压，所述第五PMOS管的漏极连接所述第六PMOS管的源极，所述第五PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的栅极，所述第六PMOS管的栅极连接所述第二偏置电压，所述第六PMOS管的漏极连接所述第二部分电路。
进一步的改进是，所述加速启动电路的第二部分电路包括第六NMOS管，所述加速启动电路的第三部分电路包括第七NMOS管，所述第六NMOS管和所述第七NMOS管的源极接地，所述第六NMOS管的栅极和漏极以及所述第七NMOS管的栅极都连接到所述第一部分电路。
所述第七NMOS管的漏极连接到所述放大器本体两个差分电路的源端。
进一步的改进是，所述电压调整器件包括第八NMOS管，所述第八NMOS管的漏极连接电源电压，所述第八NMOS管的栅极连接所述第四NMOS管的漏极，所述第八NMOS管的源极作为所述线性稳压器的输出端。
进一步的改进是，所述反馈网络由串联在所述线性稳压器的输出端和地之间的电阻串组成。
本发明的加速启动电路能在上电过程中通过镜像方式为误差放大器的放大器本体提高负载电流和尾电流，从而能够提高误差放大器的启动速度。同时，本发明的误差放大器的放大器本体、电压调整器件和反馈网络都不用改变，能使线性稳压器的性能得到维持且功耗不会增加。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有线性稳压器的电路图；
图2是本发明较佳实施例线性稳压器的电路图；
图3是图2所对应的环路网络示意图；
图4是本发明实施例和现有线性稳压器的启动仿真曲线。
具体实施方式
本发明实施例线性稳压器包括：误差放大器，电压调整器件和反馈网络。
所述误差放大器包括放大器本体、第一尾电流源和有源负载。
所述放大器本体为差分结构，所述放大器本体的两个差分电路的源端都连接所述第一尾电流源，所述有源负载包括互为镜像的第一差分有源负载和第二差分有源负载，所述第一差分有源负载和所述第二差分有源负载分别连接到所述放大器本体两个差分电路的负载端。
所述误差放大器还包括用于加速线性稳压器启动的加速启动电路，所述加速启动电路的第一部分电路为所述第一差分有源负载的镜像电路，所述加速启动电路的第二部分电路连接所述第一部分电路，所述加速启动电路的第三部分电路为所述第二部分电路的镜像电路，所述第三部分电路提供第二尾电流到所述放大器本体两个差分电路的源端。
如图2所示，是本发明实施例线性稳压器的电路图；所述放大器本体的两个差分电路都为共源共栅放大电路。
所述放大器本体的第一个差分电路包括第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2，所述放大器本体的第二个差分电路包括第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4。
所述第一NMOS管MN1的源极和所述第三NMOS管MN3的源极连接在一起作为所述放大器本体的两个差分电路的源端。
所述第一NMOS管MN1的漏极连接所述第二NMOS管MN2的源极，所述第二NMOS管MN2的漏极作为所述第一个差分电路的负载端。
所述第三NMOS管MN3的漏极连接所述第四NMOS管MN4的源极，所述第四NMOS管MN4的漏极作为所述第二个差分电路的负载端以及作为所述放大器本体的输出端。
所述第一NMOS管MN1的栅极作为第一个差分电路的输入端并接参考电压VREF。
所述第三NMOS管MN3的栅极作为第二个差分电路的输入端并接所述反馈网络输出的反馈电压。
所述第二NMOS管MN2的栅极连接所述第四NMOS管MN4的栅极都接第一偏置电压VB1。
所述第一差分有源负载包括第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，所述第二差分有源负载包括第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4。
所述第一PMOS管MP1的源极和所述第三PMOS管MP3的源极都接电源电压VDD。
所述第一PMOS管MP1的漏极连接所述第二PMOS管MP2的源极，所述第三PMOS管MP3的漏极连接所述第四PMOS管MP4的源极。
所述第一PMOS管MP1的栅极、所述第三PMOS管MP3的栅极和所述第二PMOS管MP2的漏极都连接所述第二NMOS管MN2的漏极。
所述第四PMOS管MP4的漏极连接所述第四NMOS管MN4的漏极。
所述第二PMOS管MP2的栅极和所述第四PMOS管MP4的栅极都连接第二偏置电压VB2。
所述第一尾电流源包括第五NMOS管MN5，所述第五NMOS管MN5的源极接地，所述第五NMOS管MN5的漏极连接所述第一NMOS管MN1的源极，所述第五NMOS管MN5的栅极连接第三偏置电压VB3。
所述加速启动电路的第一部分电路包括第五PMOS管MPa1和第六PMOS管MPa2，所述第五PMOS管MPa1的源极接电源电压VDD，所述第五PMOS管MPa1的漏极连接所述第六PMOS管MPa2的源极，所述第五PMOS管MPa1的栅极连接所述第一PMOS管MP1的栅极，所述第六PMOS管MPa2的栅极连接所述第二偏置电压VB2，所述第六PMOS管MPa2的漏极连接所述第二部分电路。
所述加速启动电路的第二部分电路包括第六NMOS管MNa1，所述加速启动电路的第三部分电路包括第七NMOS管MNa2，所述第六NMOS管MNa1和所述第七NMOS管MNa2的源极接地，所述第六NMOS管MNa1的栅极和漏极以及所述第七NMOS管MNa2的栅极都连接到所述第一部分电路。
所述第七NMOS管MNa2的漏极连接到所述放大器本体两个差分电路的源端。
所述电压调整器件包括第八NMOS管MDRV，所述第八NMOS管MDRV的漏极连接电源电压VDD，所述第八NMOS管MDRV的栅极连接所述第四NMOS管MN4的漏极，所述第八NMOS管MDRV的源极作为所述线性稳压器的输出信号OUT的输出端。
所述反馈网络由串联在所述线性稳压器的输出端和地之间的电阻串组成，该电阻串由电阻R1和电阻R2串联而成。
本发明较佳实施例的加速启动电路能在上电过程中通过镜像方式为误差放大器的放大器本体提高负载电流和尾电流，比较图1和图2所示可知，本发明较佳实施例通过PMOS管MPa1和MPa2的镜像作用，能使本发明较佳实施例的PMOS管MP1、MP2、MP3和MP4较图1中的对应有源负载更快的启动，并通过NMOS管MNa2提供了相对应的尾电流。所以本发明较佳实施例能够提高启动速度。
另外，从环路特性来说明本发明较佳实施例能提高启动速度的原理：
设：PMOS管MPa1、MP1和MP2的尺寸相同，NMOS管MNa1和MNa2的尺寸相同；反馈系数B＝1；流过NMOS管MN5的电流为Ib，流过PMOS管MP1的电流为Ia。
如图3所示，是图2所对应的环路网络示意图；环路特性为：
启动时，F＝1，G＝∞，Ia＝∞(饱和)；
稳定时，F＝1/2，G＝1，Ia＝Ib；
其中F为闭环增益，G为开环增益，二者的变换公式为：G＝F/(1-F×B)。
可知，本发明较佳实施例中在启动时理论上Ia的值为无限大，也即最大饱和状态，这样能够使启动时的电流最大，从而加快启动速度。
如图4所示，是本发明实施例和现有线性稳压器的启动仿真曲线，仿真条件为：在电源输入0到3.3V的条件下，输出从0到1.5V的稳定时间：其中曲线101为电源电压的变化曲线，曲线102为本发明较佳实施例的输出信号OUT的变化曲线，曲线103为图1所示的现有电路的输出信号OUT的变化曲线，可以看出本发明较佳实施例的启动时间为20.14微秒，现有电路架构的启动时间为42.59微秒。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种线性稳压器，其特征在于，包括：误差放大器，电压调整器件和反馈网络；
所述误差放大器包括放大器本体、第一尾电流源和有源负载；
所述放大器本体为差分结构，所述放大器本体的两个差分电路的源端都连接所述第一尾电流源，所述有源负载包括互为镜像的第一差分有源负载和第二差分有源负载，所述第一差分有源负载和所述第二差分有源负载分别连接到所述放大器本体两个差分电路的负载端；
所述误差放大器还包括用于加速线性稳压器启动的加速启动电路，所述加速启动电路的第一部分电路为所述第一差分有源负载的镜像电路，所述加速启动电路的第二部分电路连接所述第一部分电路，所述加速启动电路的第三部分电路为所述第二部分电路的镜像电路，所述第三部分电路提供第二尾电流到所述放大器本体两个差分电路的源端。
2.如权利要求1所述的线性稳压器，其特征在于：所述放大器本体的两个差分电路都为共源共栅放大电路。
3.如权利要求2所述的线性稳压器，其特征在于：所述放大器本体的第一个差分电路包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述放大器本体的第二个差分电路包括第三NMOS管和第四NMOS管；
所述第一NMOS管的源极和所述第三NMOS管的源极连接在一起作为所述放大器本体的两个差分电路的源端；
所述第一NMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的源极，所述第二NMOS管的漏极作为所述第一个差分电路的负载端；
所述第三NMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的源极，所述第四NMOS管的漏极作为所述第二个差分电路的负载端以及作为所述放大器本体的输出端；
所述第一NMOS管的栅极作为第一个差分电路的输入端并接参考电压；
所述第三NMOS管的栅极作为第二个差分电路的输入端并接所述反馈网络输出的反馈电压；
所述第二NMOS管的栅极连接所述第四NMOS管的栅极都接第一偏置电压。
4.如权利要求3所述的线性稳压器，其特征在于：所述第一差分有源负载包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第二差分有源负载包括第三PMOS管和第四PMOS管；
所述第一PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极都接电源电压；
所述第一PMOS管的漏极连接所述第二PMOS管的源极，所述第三PMOS管的漏极连接所述第四PMOS管的源极；
所述第一PMOS管的栅极、所述第三PMOS管的栅极和所述第二PMOS管的漏极都连接所述第二NMOS管的漏极；
所述第四PMOS管的漏极连接所述第四NMOS管的漏极；
所述第二PMOS管的栅极和所述第四PMOS管的栅极都连接第二偏置电压。
5.如权利要求3所述的线性稳压器，其特征在于：所述第一尾电流源包括第五NMOS管，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第五NMOS管的栅极连接第三偏置电压。
6.如权利要求4所述的线性稳压器，其特征在于：所述加速启动电路的第一部分电路包括第五PMOS管和第六PMOS管，所述第五PMOS管的源极接电源电压，所述第五PMOS管的漏极连接所述第六PMOS管的源极，所述第五PMOS管的栅极连接所述第一PMOS管的栅极，所述第六PMOS管的栅极连接所述第二偏置电压，所述第六PMOS管的漏极连接所述第二部分电路。
7.如权利要求4或6所述的线性稳压器，其特征在于：所述加速启动电路的第二部分电路包括第六NMOS管，所述加速启动电路的第三部分电路包括第七NMOS管，所述第六NMOS管和所述第七NMOS管的源极接地，所述第六NMOS管的栅极和漏极以及所述第七NMOS管的栅极都连接到所述第一部分电路；
所述第七NMOS管的漏极连接到所述放大器本体两个差分电路的源端。
8.如权利要求3或4所述的线性稳压器，其特征在于：所述电压调整器件包括第八NMOS管，所述第八NMOS管的漏极连接电源电压，所述第八NMOS管的栅极连接所述第四NMOS管的漏极，所述第八NMOS管的源极作为所述线性稳压器的输出端。
9.如权利要求3或4所述的线性稳压器，其特征在于：所述反馈网络由串联在所述线性稳压器的输出端和地之间的电阻串组成。
10.如权利要求8所述的线性稳压器，其特征在于：所述反馈网络由串联在所述线性稳压器的输出端和地之间的电阻串组成。
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