CN108445959B - 一种可选接片外电容的低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可选接片外电容的低压差线性稳压器，包括误差放大器、功率调整管、传输门开关、补偿电容、第一电阻及第二电阻；第一电阻与第二电阻串联；误差放大器的同相输入端连接基准电压，误差放大器的反向输入端连接第一电阻与第二电阻之间的采样点，误差放大器的输出端连接功率调整管的栅极；功率调整管的源极连接电源，功率调整管的漏极通过第一电阻及第二电阻接地，补偿电容的输入端通过传输门开关与误差放大器中一晶体管的源极连接，补偿电容的输出端连接功率调整管的漏极。采用本发明，通过同一种电路结构即可实现两种工作模式，结构简单，操作方便，灵活性强。

Description

一种可选接片外电容的低压差线性稳压器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种可选接片外电容的低压差线性稳压器。

背景技术

随着片上集成系统(SOC)的发展，集成电源管理方案的需求也不断增加。低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)作为其中的一员，以其工作电压低、输出噪声低、体积小以及应用简单的特点，被越来越广泛地应用到便携式电子产品中。LDO线性稳压器适用于降压变换，从基本原理来说，LDO根据负载的变化情况来调节自身的输出电阻，从而保证输出端的电压恒定不变。由于输出端电压与输入端电压压差可以做到很小，LDO要比一般线性稳压器效率更高。

传统的LDO一般都需要在输出端外接一个1μF—10μF的电容以保证稳定，此补偿方法的可靠性取决于该外接电容的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)值的大小。这将提高应用的复杂度和应用成本，而且这个外接稳定电容会占用一定的PCB板空间，使得产品的体积受到限制，但是由于外接大电容的存在，这种LDO的瞬态响应性能良好。

采用无电容型LDO(Capless LDO)，则有利于减小芯片面积和成本，减少用于外接电容的芯片引脚数目。但是由于缺少片外大电容，无电容型LDO比传统LDO的瞬态响应特性变差，而且稳定性也面临巨大挑战。

在实际应用中，不同的应用环境对LDO的需求也是不同的。有些应用环境需要更安静的电源，有些应用环境可以忍受更大的噪声。为了减少设计成本和芯片面积，需要设计一种既能外接电容作为传统LDO使用，又能去掉外接电容作为无电容型LDO使用的复用型LDO来适应不同环境的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种结构简单，操作方便，灵活性强的可选接片外电容的低压差线性稳压器，使用同一种电路结构即可实现两种工作模式。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可选接片外电容的低压差线性稳压器，包括误差放大器、功率调整管、传输门开关、补偿电容、第一电阻及第二电阻；所述第一电阻与第二电阻串联；所述误差放大器的同相输入端连接基准电压，所述误差放大器的反向输入端连接第一电阻与第二电阻之间的采样点，所述误差放大器的输出端连接功率调整管的栅极；所述功率调整管的源极连接电源，所述功率调整管的漏极通过第一电阻及第二电阻接地，所述补偿电容的输入端通过传输门开关与误差放大器中一晶体管的源极连接，所述补偿电容的输出端连接功率调整管的漏极。

作为上述方案的改进，所述误差放大器包括差分输入电路、共源共栅电流镜电路及普通电流镜电路，所述共源共栅电流镜电路一端与差分输入电路连接，另一端与普通电流镜电路连接。

作为上述方案的改进，所述差分输入电路包括第一差分晶体管及第二差分晶体管；所述第一差分晶体管的漏极及第二差分晶体管的漏极分别与共源共栅电流镜电路连接；所述第一差分晶体管的源极及第二差分晶体管的源极分别与电源连接；所述第一差分晶体管的栅极连接基准电压，所述第二差分晶体管的栅极连接第一电阻与第二电阻之间的采样点。

作为上述方案的改进，所述共源共栅电流镜电路包括第一共源晶体管、第二共源晶体管、第三共源晶体管、第四共源晶体管、第五共源晶体管、第六共源晶体管、第七共源晶体管及第八共源晶体管；所述第一共源晶体管、第二共源晶体管、第五共源晶体管及第六共源晶体管的栅极连接偏置电压；所述第三共源晶体管、第四共源晶体管、第七共源晶体管及第八共源晶体管的栅极连接差分输入电路；所述第一共源晶体管的漏极连接差分输入电路，所述第一共源晶体管的源极连接第三共源晶体管的漏极，所述第三共源晶体管的源极接地；所述第二共源晶体管的漏极连接普通电流镜电路，所述第二共源晶体管的源极连接第四共源晶体管的漏极，所述第四共源晶体管的源极接地；所述第五共源晶体管的漏极连接普通电流镜电路，所述第五共源晶体管的源极连接第七共源晶体管的漏极及传输门开关，所述第七共源晶体管的源极接地；所述第六共源晶体管的漏极连接差分输入电路，所述第六共源晶体管的源极连接第八共源晶体管的漏极，所述第八共源晶体管的源极接地。

作为上述方案的改进，所述普通电流镜包括第一普通晶体管及第二普通晶体管；所述第一普通晶体管的源极连接电源，所述第一普通晶体管的漏极分别连接共源共栅电流镜电路及第一普通晶体管的栅极；所述第二普通晶体管的源极连接电源，所述第二普通晶体管的漏极分别连接共源共栅电流镜电路及功率调整管的栅极，所述第二普通晶体管的栅极连接第一普通晶体管的栅极。

作为上述方案的改进，所述传输门开关包括相互并联的第一传输晶体管及第二传输晶体管。

作为上述方案的改进，还包括偏置电路，所述偏置电路包括第一偏置晶体管、第二偏置晶体管及第三偏置晶体管；所述第一偏置晶体管的源极连接电源，所述第一偏置晶体管的漏极连接偏置电流；所述第二偏置晶体管的源极连接电源，所述第二偏置晶体管的漏极连接第三偏置晶体管的漏极；所述第一偏置晶体管的栅极与第二偏置晶体管的栅极相互连接并分别连接偏置电流及误差放大器；所述第三偏置晶体管的栅极与所述第三偏置晶体管的漏极连接并为误差放大器提供偏置电压，所述第三偏置晶体管的源极接地。

作为上述方案的改进，所述可选接片外电容的低压差线性稳压器还包括过流保护电路，所述过流保护电路的一端连接电源，另一端连接误差放大器的输出端。

作为上述方案的改进，所述可选接片外电容的低压差线性稳压器还包括输出负载电路，所述输出负载电路包括相互并联的等效阻性负载及片上寄生电容；所述等效阻性负载的一端连接功率调整管的漏极，另一端接地；所述片上寄生电容的一端连接功率调整管的漏极，另一端接地。

作为上述方案的改进，所述输出负载电路还包括相互串联的片外电容及寄生电阻，所述片外电容的一端通过寄生电阻连接功率调整管的漏极，另一端接地。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明可选接片外电容的低压差线性稳压器使用同一种电路结构即可实现两种工作模式，并由传输门开关的开关信号来控制工作模式的切换，结构简单、操作方便，灵活性强。当传输门开关断开，本发明可以外接1μF—10μF的片外电容作为传统LDO来使用，此时电路的稳定性主要依靠片外电容的寄生电阻来补偿；当传输门开关闭合，本发明去掉片外电容成为无电容型LDO，此时电路的稳定性依靠片内补偿电容来补偿，这种方式可以适用于不同的应用环境，减少设计成本和芯片面积。

附图说明

图1是本发明接片外电容时的电路图；

图2是本发明接片外电容时的频率响应波特图；

图3是本发明无片外电容时的电路图；

图4是本发明无片外电容时的频率响应波特图；

图5是本发明接片外电容时的晶体管级电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

参见图1及图3，图1及图3显示了本发明可选接片外电容的低压差线性稳压器的电路图，其包括误差放大器EA、功率调整管M_P、传输门开关S_W、补偿电容C_M、第一电阻R1及第二电阻R2；具体地，所述第一电阻R1与第二电阻R2串联；所述误差放大器EA的同相输入端连接基准电压Vref，所述误差放大器EA的反向输入端连接第一电阻R1与第二电阻R2之间的采样点，所述误差放大器EA的输出端连接功率调整管M_P的栅极；所述功率调整管M_P的源极连接电源VCC，所述功率调整管M_P的漏极通过第一电阻R1及第二电阻R2接地，所述补偿电容C_M的输入端通过传输门开关S_W与误差放大器EA中一晶体管的源极连接，所述补偿电容C_M的输出端连接功率调整管M_P的漏极。

工作时，本发明低压差线性稳压器的输出电压通过第一电阻R1和第二电阻R2进行分压，然后连接到误差放大器EA的反向输入端，误差放大器EA将分压得到的电压值与基准电压Vref的差值进行放大，并将误差放大得到的电压连接到功率调整管M_P的栅极。因此本发明的低压差线性稳压器形成一个负反馈环路，当低压差线性稳压器稳定时，第一电阻R1和第二电阻R2的分压值与基准电压Vref相等，因此可以得到低压差线性稳压器的输出电压Vout，具体地，Vout＝Vref×(1+R1/R2)。

进一步，所述可选接片外电容的低压差线性稳压器还包括输出负载电路，所述输出负载电路包括相互并联的等效阻性负载R_L及片上寄生电容C_L；所述等效阻性负载R_L的一端连接功率调整管M_P的漏极，另一端接地；所述片上寄生电容C_L的一端连接功率调整管M_P的漏极，另一端接地。

相应地，所述输出负载电路还包括相互串联的片外电容Cout及寄生电阻R_ESR，所述片外电容Cout的一端通过寄生电阻R_ESR连接功率调整管M_P的漏极，另一端接地。

需要说明的是，本发明使用同一种电路结构即可实现两种工作模式，并由传输门开关S_W的开关信号来控制工作模式的切换。当传输门开关S_W断开，本发明可以外接1μF—10μF的片外电容Cout作为传统LDO来使用，此时电路的稳定性主要依靠片外电容Cout的寄生电阻R_ESR来补偿；当传输门开关S_W闭合，本发明去掉片外电容Cout成为无电容型LDO，此时电路的稳定性依靠片内补偿电容C_M来补偿，这种方式可以适用于不同的应用环境，减少设计成本和芯片面积。

下面结合具体的附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1及图2所示，当低压差线性稳压器需要接片外电容Cout时，需将传输门开关S_W断开，此时的补偿电容C_M并不发挥作用。由于片外电容Cout的存在，主极点P1为低压差线性稳压器的输出端，次极点P2为误差放大器EA的输出端。

P1＝1/2πR_dsCout；

P2＝1/2πR_EAC_PMOS；

其中，Cout为输出端外接的片外电容，R_ds为功率调整管M_P等效电阻和输出电阻并联，C_PMOS为功率调整管M_P的栅极寄生电容。R_EA为误差放大器EA的输出电阻，R_EA＝r_o12//g_m7r_o7r_o9。

由于片外电容Cout存在等效串联的寄生电阻R_ESR，会引入一个左半平面零点Z1，Z1＝1/2πR_ESRCout。

当寄生电阻R_ESR足够大时，零点Z1将会进入单位增益带宽之内，参与频率补偿，抵消次极点P2的作用。在外接陶瓷片外电容1μF—10μF的情况下，本发明低压差线性稳压器可以达到稳定。如果外接片外电容Cout为电解电容(寄生电阻R_ESR更大)，则本发明低压差线性稳压器的相位裕度会更高。

如图3及图4所示，当低压差线性稳压器不接片外电容Cout时，需将传输门开关S_W闭合。由于低压差线性稳压器的负载电容比较小(片上寄生电容C_L为nF量级以下)，主极点P1在误差放大器EA输出端，次极点P2在低压差线性稳压器输出端。

主极点P1＝1/2πR_EAg_mpR_dsC_C；

次极点P2＝g_m7g_mpR_EA/2πC_L；

零点Z1＝g_m7g_mpR_EA/2πC_C；

由于补偿电容C_M起到分裂极点的作用，使主极点向原点方向移动，使次极点向离开原点的方向移动。与普通米勒补偿不同的是，补偿电容C_M并没有直接跨接在功率调整管M_P的栅漏两级，而是接在低压差线性稳压器的输出端和误差放大器EA共源共栅器件的源极。这种方法的优点是可以将密勒补偿引入的右半平面零点推到很高的频率，不会影响低压差线性稳压器的稳定性，并且次极点P2的数值也比普通米勒补偿大很多。因此这种无电容型LDO的带宽比传统LDO大很多。

如图5所示，所述误差放大器EA包括差分输入电路F、共源共栅电流镜电路G及普通电流镜电路E，所述共源共栅电流镜电路G一端与差分输入电路F连接，另一端与普通电流镜电路E连接。

相应地，所述补偿电容C_M的输入端通过传输门开关S_W与误差放大器EA中共源共栅电流镜电路G的源极连接。

需要说明的是，与普通米勒补偿不同的是，本发明中的补偿电容C_M并没有直接跨接在功率调整管M_P的栅漏两级，而是接在低压差线性稳压器的输出端和误差放大器EA共源共栅器件的源极。这种方法的优点是可以将密勒补偿引入的右半平面零点推到很高的频率，不会影响低压差线性稳压器的稳定性，并且次极点的数值也比普通米勒补偿大很多，因此这种无电容型LDO的带宽比传统LDO大很多。

所述差分输入电路F包括第一差分晶体管M1及第二差分晶体管M2；所述第一差分晶体管M1的漏极及第二差分晶体管M2的漏极分别与共源共栅电流镜电路G连接；所述第一差分晶体管M1的源极及第二差分晶体管M2的源极分别与电源VDD连接；所述第一差分晶体管M1的栅极连接基准电压Vref，所述第二差分晶体管M的栅极连接第一电阻R1与第二电阻R2之间的采样点。

所述共源共栅电流镜电路G包括第一共源晶体管M3、第二共源晶体管M4、第三共源晶体管M5、第四共源晶体管M6、第五共源晶体管M7、第六共源晶体管M8、第七共源晶体管M9及第八共源晶体管M10；所述第一共源晶体管M3、第二共源晶体管M4、第五共源晶体管M7及第六共源晶体管M8的栅极连接偏置电压；所述第三共源晶体管M5、第四共源晶体管M6、第七共源晶体管M9及第八共源晶体管M10的栅极连接差分输入电路F；所述第一共源晶体管M3的漏极连接差分输入电路F，所述第一共源晶体管M3的源极连接第三共源晶体管M5的漏极，所述第三共源晶体管M5的源极接地；所述第二共源晶体管M4的漏极连接普通电流镜电路E，所述第二共源晶体管M4的源极连接第四共源晶体管M6的漏极，所述第四共源晶体管M6的源极接地；所述第五共源晶体管M7的漏极连接普通电流镜电路E，所述第五共源晶体管M7的源极连接第七共源晶体管M9的漏极及传输门开关S_W，所述第七共源晶体管M9的源极接地；所述第六共源晶体管M8的漏极连接差分输入电路F，所述第六共源晶体管M8的源极连接第八共源晶体管M10的漏极，所述第八共源晶体管M10的源极接地。同时，所述补偿电容C_M的输入端通过传输门开关S_W与第五共源晶体管M7的源极连接。

所述普通电流镜E包括第一普通晶体管M11及第二普通晶体管M12；所述第一普通晶体管M11的源极连接电源VDD，所述第一普通晶体管M11的漏极分别连接共源共栅电流镜电路G及第一普通晶体管M11的栅极；所述第二普通晶体管M12的源极连接电源VDD，所述第二普通晶体管M12的漏极分别连接共源共栅电流镜电路G及功率调整管M_P的栅极，所述第二普通晶体管M12的栅极连接第一普通晶体管M11的栅极。

所述传输门开关S_W包括相互并联的第一传输晶体管SW及第二传输晶体管SWB。控制信号为外部信号SW和SWB，SW和SWB互为反信号。

进一步，所述可选接片外电容的低压差线性稳压器还包括偏置电路H，所述偏置电路H包括第一偏置晶体管M15、第二偏置晶体管M14及第三偏置晶体管M16；所述第一偏置晶体管M15的源极连接电源VDD，所述第一偏置晶体管M15的漏极连接偏置电流Ibias，所述偏置电流Ibias可由电流源电路提供；所述第二偏置晶体管M14的源极连接电源VDD，所述第二偏置晶体管M14的漏极连接第三偏置晶体管M16的漏极；所述第一偏置晶体管M15的栅极与第二偏置晶体管M14的栅极相互连接并分别连接偏置电流Ibias及误差放大器EA；所述第三偏置晶体管M16的栅极与所述第三偏置晶体管M16的漏极连接并为误差放大器EA提供偏置电压，所述第三偏置晶体管M16的源极接地。

相应地，所述误差放大器EA还包括误差晶体管M13，所述误差晶体管M13的源极连接电源VDD，漏极连接差分输入电路F中第一差分晶体管M1的源极及第二差分晶体管M2的源极，栅极连接偏置电路H。

另外，所述可选接片外电容的低压差线性稳压器还包括过流保护电路Q，所述过流保护电路Q的一端连接电源VDD，另一端连接误差放大器EA的输出端。通过过流保护电路Q可有效防止低压差线性稳压器对外界提供过多电流而造成芯片本身烧毁。

由上可知，本发明使用同一种电路结构即可实现两种工作模式，并由传输门开关S_W的开关信号来控制工作模式的切换。当传输门开关S_W断开，本发明可以外接1μF—10μF的片外电容作为传统LDO来使用，此时电路的稳定性主要依靠片外电容的寄生电阻来补偿；当传输门开关S_W闭合，本发明去掉片外电容成为无电容型LDO，此时电路的稳定性依靠片内补偿电容C_M来补偿，这种方式可以适用于不同的应用环境，减少设计成本和芯片面积。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，包括误差放大器、功率调整管、传输门开关、补偿电容、第一电阻及第二电阻；

所述第一电阻与第二电阻串联；

所述误差放大器的同相输入端连接基准电压，所述误差放大器的反向输入端连接第一电阻与第二电阻之间的采样点，所述误差放大器的输出端连接功率调整管的栅极；

所述功率调整管的源极连接电源，所述功率调整管的漏极通过第一电阻及第二电阻接地；

所述补偿电容的输入端通过传输门开关与误差放大器中一晶体管的源极连接，所述补偿电容的输出端连接功率调整管的漏极；

所述误差放大器包括差分输入电路、共源共栅电流镜电路及普通电流镜电路，所述共源共栅电流镜电路一端与差分输入电路连接，另一端与普通电流镜电路连接；

所述差分输入电路包括第一差分晶体管及第二差分晶体管；所述第一差分晶体管的漏极及第二差分晶体管的漏极分别与共源共栅电流镜电路连接；所述第一差分晶体管的源极及第二差分晶体管的源极分别与电源连接；所述第一差分晶体管的栅极连接基准电压，所述第二差分晶体管的栅极连接第一电阻与第二电阻之间的采样点；

所述共源共栅电流镜电路包括第一共源晶体管、第二共源晶体管、第三共源晶体管、第四共源晶体管、第五共源晶体管、第六共源晶体管、第七共源晶体管及第八共源晶体管；所述第一共源晶体管、第二共源晶体管、第五共源晶体管及第六共源晶体管的栅极连接偏置电压；所述第三共源晶体管、第四共源晶体管、第七共源晶体管及第八共源晶体管的栅极连接差分输入电路；所述第一共源晶体管的漏极连接差分输入电路，所述第一共源晶体管的源极连接第三共源晶体管的漏极，所述第三共源晶体管的源极接地；所述第二共源晶体管的漏极连接普通电流镜电路，所述第二共源晶体管的源极连接第四共源晶体管的漏极，所述第四共源晶体管的源极接地；所述第五共源晶体管的漏极连接普通电流镜电路，所述第五共源晶体管的源极连接第七共源晶体管的漏极及传输门开关，所述第七共源晶体管的源极接地；所述第六共源晶体管的漏极连接差分输入电路，所述第六共源晶体管的源极连接第八共源晶体管的漏极，所述第八共源晶体管的源极接地。

2.如权利要求1所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述普通电流镜包括第一普通晶体管及第二普通晶体管；

所述第一普通晶体管的源极连接电源，所述第一普通晶体管的漏极分别连接共源共栅电流镜电路及第一普通晶体管的栅极；

所述第二普通晶体管的源极连接电源，所述第二普通晶体管的漏极分别连接共源共栅电流镜电路及功率调整管的栅极，所述第二普通晶体管的栅极连接第一普通晶体管的栅极。

3.如权利要求1所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述传输门开关包括相互并联的第一传输晶体管及第二传输晶体管。

4.如权利要求1所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，还包括偏置电路，所述偏置电路包括第一偏置晶体管、第二偏置晶体管及第三偏置晶体管；

所述第一偏置晶体管的源极连接电源，所述第一偏置晶体管的漏极连接偏置电流；

所述第二偏置晶体管的源极连接电源，所述第二偏置晶体管的漏极连接第三偏置晶体管的漏极；

所述第一偏置晶体管的栅极与第二偏置晶体管的栅极相互连接并分别连接偏置电流及误差放大器；

所述第三偏置晶体管的栅极与所述第三偏置晶体管的漏极连接并为误差放大器提供偏置电压，所述第三偏置晶体管的源极接地。

5.如权利要求1所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，还包括过流保护电路，所述过流保护电路的一端连接电源，另一端连接误差放大器的输出端。

6.如权利要求1所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，还包括输出负载电路，所述输出负载电路包括相互并联的等效阻性负载及片上寄生电容；

所述等效阻性负载的一端连接功率调整管的漏极，另一端接地；

所述片上寄生电容的一端连接功率调整管的漏极，另一端接地。

7.如权利要求6所述的可选接片外电容的低压差线性稳压器，其特征在于，所述输出负载电路还包括相互串联的片外电容及寄生电阻，所述片外电容的一端通过寄生电阻连接功率调整管的漏极，另一端接地。