CN108919874B - 一种低压差线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压差线性稳压器，低压差线性稳压器包括放大器、功率开关、分压电路和第二补偿元件，放大器根据同向输入端、反向输入端和补偿输入端的输入信号调节放大信号输出端的输出信号；功率元件根据控制端的输入信号调节第二端的输出信号；分压电路对第一和第二分压信号输入端的输入信号进行分压；第一电源信号通过第二补偿元件与第二电源信号之间形成通路，通路使第一电源信号与第二电源信号变化引起的放大信号输出端的输出信号的变化减小。通过本发明的技术方案，在实现低压差线性稳压器稳压功能以及提高低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的同时，避免了提高GBW以提高中频处的电源电压抑制比导致的功耗增加的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种低压差线性稳压器。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，越来越多的电路集成在一个芯片上组成SOC(System On Chip，片上系统)，特别是无线收发器芯片，例如LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器)、PLL(Phase Locked Loop，锁相环)以及ADC/DAC(模拟数据转换器/数字模拟转换器)等模拟射频电路以及数字基带等数字电路都集成在一个芯片上。
为了延长待机时间、提高集成度以及降低外围电路的复杂度，目前SOC普遍采用DC(Direct Current，直流)/DC转换器结合LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)的供电架构，例如可以直接将DC/DC和LDO都集成在SOC里。由于DC/DC受时钟驱动，在其工作时钟频率处有较大的输出纹波，而诸如PLL、ADC、LNA等对电源参数比较敏感，这就对LDO的电源电压抑制比指标提出了比较高的要求。
然而，普通无片外电容的LDO的电源电压抑制比在中频处较差，且DC/DC的工作时钟频率基本上都在LDO的中频处。目前可以通过提高LDO的GBW(单位增益带宽)以提高其在中频处的电源电压抑制比，但提高LDO的GBW使得LDO的功耗增加，导致LDO的效率降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低压差线性稳压器，降低了第一电源信号以及第二电源信号变化对低压差线性稳压器输出的稳压信号的影响，在实现低压差线性稳压器稳压功能以及提高低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的同时，避免了提高低压差线性稳压器的GBW以提高其在中频处的电源电压抑制比导致的低压差线性稳压器的功耗增加，效率降低的问题。
本发明实施例提供了一种低压差线性稳压器，包括：
放大器，所述放大器包括同向输入端、反向输入端、补偿信号输入端和放大信号输出端，所述反向输入端接入参考信号，所述放大器用于根据所述同向输入端、所述反向输入端和所述补偿信号输入端的输入信号调节所述放大信号输出端的输出信号；
功率开关，所述功率开关包括控制端、第一端和第二端，所述控制端与所述放大信号输出端电连接，所述第一端接入第一电源信号，所述第二端作为所述低压差线性稳压器的稳压信号输出端，所述功率开关用于根据所述控制端的输入信号调节所述第二端的输出信号；
分压电路，所述分压电路包括第一分压信号输入端、第二分压信号输入端和分压信号输出端，所述第一分压信号输入端与所述第二端电连接，所述第二分压信号输入端接入第二电源信号，所述分压信号输出端与所述同向输入端电连接，所述分压电路用于对所述第一分压信号输入端和所述第二分压信号输入端的输入信号进行分压后形成分压信号并通过所述分压信号输出端输出；
第二补偿元件，所述第二补偿元件的第一极与所述补偿信号输入端电连接，所述第二补偿元件的第二极与所述第二分压信号输入端电连接，所述第一电源信号通过所述第二补偿元件与所述第二电源信号之间形成通路，所述通路使所述第一电源信号与所述第二电源信号变化引起的所述放大信号输出端的输出信号的变化减小。
具体地，所述低压差线性稳压器还包括：
第一阻抗元件和第一补偿元件，所述第一阻抗元件的第一端与所述功率开关的控制端电连接，所述第一阻抗元件的第二端与所述第一补偿元件的第一极电连接，所述第一补偿元件的第二极与所述功率开关的第二端电连接。
具体地，所述第一补偿元件和所述第二补偿元件均包括补偿电容。
具体地，所述第二补偿元件包括多个第二补偿电容，所有所述第二补偿电容的第一极电连接作为所述第二补偿元件的所述第一极，所有所述第二补偿电容的第二极电连接作为所述第二补偿元件的所述第二极，至少部分所述第二补偿电容为晶体管电容。
具体地，所述分压电路包括：
第二阻抗元件和第三阻抗元件，所述第二阻抗元件的第一极作为所述分压电路的第一分压信号输入端，所述第二阻抗元件的第二极与所述第三阻抗元件的第一极电连接作为所述分压电路的分压信号输出端，所述第三阻抗元件的第二极作为所述分压电路的第二分压信号输入端。
具体地，所述功率开关包括场效应管，所述场效应管的栅极作为所述功率开关的所述控制端，所述场效应管的第一极作为所述功率开关的第一端，所述场效应管的第二极作为所述功率开关的第二端。
具体地，所述放大器包括第一P型场效应管和第二P型场效应管；
所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，所述第一P型场效应管的栅极与所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的补偿信号输入端。
具体地，所述放大器还包括第一N型场效应管、第二N型场效应管和电流源，所述第一N型场效应管的第一极与所述第一P型场效应管的第二极电连接，所述第二N型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第二极电连接，所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；或者，
所述放大器还包括m级N型场效应管组和电流源，每级所述N型场效应管组包括第一N型场效应管和第二N型场效应管，前m-1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极与同一所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极与所述第一P型场效应管的第二极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极所述第二P型场效应管的第二极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极电连接，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；其中，i为正整数。
具体地，所述放大器包括n级P型场效应管组，每级所述P型场效应管组包括第一P型场效应管和第二P型场效应管，所有所述第一P型场效应管的栅极与所有所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的所述补偿信号输入端，第一级所述P型场效应管组的所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，第i级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第一极电连接，第i级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第一极电连接。
具体地，所述放大器还包括第一N型场效应管、第二N型场效应管和电流源，所述第一N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极电连接，所述第二N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极电连接，所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；或者，
所述放大器还包括m级N型场效应管组和电流源，每级所述N型场效应管组包括第一N型场效应管和第二N型场效应管，前m-1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极与同一所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极电连接，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；其中，n为大于1的整数，i为正整数。
本发明实施例提供了一种低压差线性稳压器，利用第二补偿元件使第一电源信号与第二电源信号之间形成通路，所述通路能够减小第一电源信号与第二电源信号变化引起的放大信号输出端的输出信号的变化，降低了第一电源信号与第二电源信号的变化对功率开关控制端电压的影响，功率元件能够根据控制端的输入信号调节第二端的输出信号，进而降低了第一电源信号以及第二电源信号变化对功率开关第二端，即稳压信号输出端输出的稳压信号的影响，在实现低压差线性稳压器稳压功能的同时，提高了低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比，且本发明实施例利用第二补偿元件实现低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的提高，未通过提高GBW以提高低压差线性稳压器在中频处的电源电压抑制比，避免了提高GBW导致的低压差线性稳压器的功耗大以及效率低的问题，降低了低压差线性稳压器的功耗。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中的一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种低压差线性稳压器的电源电压抑制比效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。贯穿本说明书中，相同或相似的附图标号代表相同或相似的结构、元件或流程。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种低压差线性稳压器，低压差线性稳压器包括放大器、功率开关、分压电路、第一补偿元件以及第二补偿元件，放大器包括同向输入端、反向输入端、补偿信号输入端和放大信号输出端，功率开关包括控制端、第一端和第二端，分压电路包括第一分压信号输入端、第二分压信号输入端和分压信号输出端。反向输入端接入参考信号，控制端与放大信号输出端电连接，第一端接入第一电源信号，第二端作为低压差线性稳压器的稳压信号输出端，第一分压信号输入端与第二端电连接，第二分压信号输入端接入第二电源信号，分压信号输出端与同向输入端电连接，第二补偿元件的第一极与补偿信号输入端电连接，第二补偿元件的第二极与第二分压信号输入端电连接。放大器用于根据同向输入端、反向输入端和补偿输入端的输入信号调节放大信号输出端的输出信号，功率元件用于根据控制端的输入信号调节第二端的输出信，分压电路用于对第一分压信号输入端和第二分压信号输入端的输入信号进行分压后形成分压信号并通过分压信号输出端输出，第一电源信号通过第二补偿元件与第二电源信号之间形成通路，通路使所述第一电源信号与第二电源信号变化引起的放大信号输出端的输出信号的变化减小。
为了延长待机时间、提高集成度以及降低外围电路的复杂度，目前SOC普遍采用DC/DC转换器结合LDO的供电架构，例如可以直接将DC/DC和LDO都集成在SOC里。由于DC/DC受时钟驱动，在其工作时钟频率处有较大的输出纹波，而诸如PLL、ADC、LNA等对电源参数比较敏感，这就对片内LDO的电源电压抑制比指标提出了比较高的要求。然而，普通无片外电容的LDO的电源电压抑制比在中频处较差，且DC/DC的工作时钟频率基本上都在LDO的中频处。
图1为现有技术中的一种低压差线性稳压器的结构示意图。如图1所示，当LDO工作在中频段，即LDO的工作频率F大于P0，小于GBW时，LDO的电源电压抑制比PSRR满足如下公式：
其中，gm1为第一晶体管T1的跨导，Ro1为第一晶体管T1的输出阻抗与第五晶体管T5的输出阻抗的并联等效阻抗，gm3为第三晶体管T3的输出跨导，Ro3为第三晶体管T3的输出阻抗，β为反馈系数且等于
S为频域，P0为LDO的主极点，即P0等于开环增益的-3dB带宽，GBW为LDO的单位增益带宽积。参照上述公式，可以通过提高LDO的GBW以提高其在中频处的电源电压抑制比，但提高LDO的GBW会使得LDO的跨导增加，跨导的增加又会导致流经LDO的电流增加，进而导致LDO的功耗增加，效率降低。
本发明实施例提供的低压差线性稳压器，利用二补偿元件使第一电源信号与第二电源信号之间形成通路，所述通路能够减小第一电源信号与第二电源信号变化引起的放大信号输出端的输出信号的变化，降低了第一电源信号与第二电源信号的变化对功率开关控制端电压的影响，功率元件能够根据控制端的输入信号调节第二端的输出信号，进而降低了第一电源信号以及第二电源信号变化对功率开关第二端，即稳压信号输出端输出的稳压信号的影响，在实现低压差线性稳压器稳压功能的同时，提高了低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比，且本发明实施例利用第二补偿元件实现低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的提高，未通过提高GBW以提高低压差线性稳压器在中频处的电源电压抑制比，避免了上述提高GBW导致的低压差线性稳压器的功耗大以及效率低的问题，降低了低压差线性稳压器的功耗。
图2为本发明实施例提供的一种低压差线性稳压器的结构示意图。如图2所示，低压差线性稳压器包括放大器1、功率开关2、分压电路3以及第二补偿元件5，放大器1包括同向输入端A1、反向输入端A2、补偿信号输入端A3和放大信号输出端A4，功率开关2包括控制端B1、第一端B2和第二端B3，分压电路3包括第一分压信号输入端D1、第二分压信号输入端D2和分压信号输出端D3。
反向输入端A2接入参考信号VREF，控制端B1与放大信号输出端A4电连接，第一端B2接入第一电源信号VDD，第二端B3作为低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT，第一分压信号输入端D1与第二端B3电连接，第二分压信号输入端D2接入第二电源信号GND，分压信号输出端D3与同向输入端A1电连接第二补偿元件5的第一极F1与补偿信号输入端A3电连接，第二补偿元件5的第二极F2与第二分压信号输入端D2电连接。
放大器1用于根据同向输入端A1、反向输入端A2和补偿信号输入端A3的输入信号调节放大信号输出端A4的输出信号，功率开关2用于根据控制端B1的输入信号调节第二端B3的输出信号，分压电路3用于对第一分压信号输入端D1和第二分压信号输入端D2的输入信号进行分压后形成分压信号并通过分压信号输出端D3输出。具体的，如图2所示，低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号的电压增加时，分压电路3反馈至放大器1同向输入端A1的分压信号的电压增加，放大器1的放大信号输出端A4输出信号的电压增加。示例性地设置功率开关2为P型晶体管，功率开关2栅极电压的增加使得功率开关2的源极与漏极的压差增加，则功率开关2的源极与漏极的压差增加使得低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号的电压减小。同理，低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号的电压减小时，分压电路3的反馈以及功率开关2的控制使得低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号的电压增加，低压差线性稳压器据此实现稳压功能。
如图2所示，第一电源信号VDD通过第二补偿元件5与第二电源信号GND之间形成通路，所述通路使第一电源信号VDD与第二电源信号GND变化引起的放大信号输出端A4的输出信号的变化减小，也就降低了第一电源信号VDD与第二电源信号GND的变化对功率开关2控制端B1电压的影响，功率元件2能够根据控制端B1的输入信号调节第二端B3的输出信号，进而降低了第一电源信号VDD以及第二电源信号GND变化对功率开关2第二端B3，即稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号的影响，提高了低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比，且本发明实施例利用第二补偿元件5实现低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的提高，未通过提高GBW以提高低压差线性稳压器在中频处的电源电压抑制比，避免了上述提高GBW导致的低压差线性稳压器的功耗大以及效率低的问题，降低了低压差线性稳压器的功耗。
图3为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图。结合图2和图3，分压电路3可以包括第二阻抗元件31和第三阻抗元件32，第二阻抗元件31的第一极G1作为分压电路3的第一分压信号输入端D1，第二阻抗元件31的第二极G2与第三阻抗元件32的第一极H1电连接作为分压电路3的分压信号输出端D3，第三阻抗元件32的第二极H2作为分压电路3的第二分压信号输入端D2。具体的，分压电路3中的第二阻抗元件31与第三阻抗元件32对低压差线性稳压器的稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号进行分压后，分压信号通过的分压信号输出端D3传输至放大器1的同向输入端A1。图3仅示例性地设置分压电路3包括两个阻抗元件，分压电路3也可以包括更多的阻抗元件，可以根据分压要求对分压电路3中阻抗元件的数量以及阻抗元件的大小进行具体设置，图3中RL和CL均为负载。
图3是图2等效的具体电路图。结合图2和图3，功率开关2可以包括场效应管，场效应管的栅极d1作为功率开关2的控制端B1，场效应管的第一极d2作为功率开关2的第一端B2，场效应管的第二极d3作为功率开关2的第二端B3。图2和图3示例性地设置功率开关2为P型晶体管，本发明实施例对功率开关2中晶体管的类型不作限定。
结合图2和图3，放大器1可以包括第一P型场效应管11、第二P型场效应管12、第一N型场效应管13、第二N型场效应管14和电流源15，第一P型场效应管11的第一极K2与第二P型场效应管12的第一极L2均接入第一电源信号VDD，第一P型场效应管11的栅极K1与第二P型场效应管12的栅极L1电连接作为放大器1的补偿信号输入端A3。第一N型场效应管13的第一极M2与第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第二N型场效应管14的第一极Q2与第二P型场效应管12的第二极L3电连接，第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器1的反向输入端A2，第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器1的同向输入端A1，第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND。
可选的，结合图2和图3，低压差线性稳压器还可以包括第一阻抗元件61和第一补偿元件4，第一阻抗元件61的第一端W1与功率开关2的控制端B1电连接，第一阻抗元件61的第二端W2与第一补偿元件4的第一极E1电连接，第一补偿元件4的第二极E2与功率开关2的第二端B3电连接。第一补偿元件4和第二补偿元件5均可以包括补偿电容。
结合图2和图3，第一P型场效应管11、第二P型场效应管12、第一N型场效应管13、第二N型场效应管14和电流源15构成共源共栅放大器1，当LDO工作在中频段，即LDO的工作频率F大于P0小于GBW时，LDO的电源电压抑制比PSRR满足如下公式：
其中，gm1为第一N型场效应管13的跨导，第二阻抗元件31的阻值为R1，第三阻抗元件32的阻值为R2，β为反馈系数且等于
S为频域，P0为LDO的主极点，C2为第二补偿元件5的电容值，Ct为第一补偿元件4的电容值和功率开关2的寄生电容的总和。
结合图2和图3，第一电源信号VDD可以为正电源电压信号，第二电源信号GND可以为地信号，第二补偿元件5的设置增加了第一电源信号VDD至第二电源信号GND的通路L1，当第一电源信号VDD或第二电源信号GND变化时，第二补偿元件5的设置减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对第一P型场效应管11的栅极K1电压的影响，第一P型场效应管11的栅极K1又与和第二P型场效应管12的栅极L1短接，也就减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对第二P型场效应管12的第二极L3电压的影响，减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对功率开关2的控制端B1，即栅极d1的影响，进而减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对功率开关2的第二端B3，即稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号电压的影响，提高了LDO在GBW中频处的电源电压抑制比的同时，避免了提高低压差线性稳压器的GBW以提高其在中频处的电源电压抑制比导致的低压差线性稳压器的功耗增加，效率降低的问题。
另外，目前还可以通过引入由可变跨导级gm、电阻和电容组成的滤波器电路和可变电流高增益放大级，利用低频零点来抵消低频极点所导致的电源电压抑制比的降低，以增强LDO在中频段的电源电压抑制比；也可以采用辅助放大器1，在不改变LDO主环路的极点以及产生零点的同时提高LDO中频段的电源电压抑制比。但上述两种方案结构较复杂，增加了LDO的制作成本，本发明实施例提供的低压差线性稳压器利用第二补偿元件5，在提高了LDO的电源电压抑制比的同时，简化了LDO的结构，降低了LDO的制作成本。
结合上述公式，第二补偿元件5有效补偿了第一补偿元件4和功率开关2的寄生电容的影响，通过选择合适的第二补偿元件5可以显著提高LDO的电源电压抑制比。具体的，LDO的电源电压抑制比为负值，通过增加第二补偿元件5的电容值可以增加LDO的电源电压抑制比，例如使第二补偿元件5的电容值近似等于第一补偿元件4的电容值和功率开关2的寄生电容的总和。
图4为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图。与图3所示结构的低压差线性稳压器不同的是，图4所示结构的低压差线性稳压器中的放大器1包括m级N型场效应管组100，结合图2和图4，每级N型场效应管组100包括第一N型场效应管13和第二N型场效应管14，前m-1级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1与同一N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1电连接，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2与第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2第二P型场效应管12的第二极L3电连接，第i级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第i+1级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2电连接，第i级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第二极Q3与第i+1级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2电连接，第m级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器1的反向输入端A2，第m级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器1的同向输入端A1，第m级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND；其中，i为正整数。
图4示例性地设置m等于2，即设置放大器1包括两级N型场效应管组100，设置第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1与第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1电连接，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2电连接，第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第二极Q3与第二级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2电连接，第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器1的反向输入端A2，第二级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器1的同向输入端A1，第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND。
图5为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图。结合图2和图5，放大器1包括n级P型场效应管组200、第一N型场效应管13、第二N型场效应管14和电流源15，每级P型场效应管组200包括第一P型场效应管11和第二P型场效应管12，所有第一P型场效应管11的栅极K1与所有第二P型场效应管12的栅极L1电连接作为放大器1的补偿信号输入端A3，第一级P型场效应管组200的第一P型场效应管11的第一极K2与第二P型场效应管12的第一极L2均接入第一电源信号VDD，第i级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3与第i+1级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第一极K2电连接，第i级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3与第i+1级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第一极L2电连接。第一N型场效应管13的第一极M2与第n级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第二N型场效应管14的第一极Q2与第n级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3电连接，第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器11的反向输入端A2，第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器11的同向输入端A1，第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND。同样的，第二补偿元件5的设置增加了第一电源信号VDD至第二电源信号GND的通路L1，减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号电压的影响，提高了LDO在GBW中频处的电源电压抑制比。
图5示例性地设置n等于2，即放大器11包括两级P型场效应管组200，两个第一P型场效应管11的栅极K1与两个第二P型场效应管12的栅极L1电连接作为放大器11的补偿信号输入端A3，第一级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3与第二级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第一极K2电连接，第一级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3与第二级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第一极L2电连接。第一N型场效应管13的第一极M2与第二级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第二N型场效应管14的第一极Q2与第二级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3电连接。同样的，第二补偿元件5的设置增加了第一电源信号VDD至第二电源信号GND的通路L1，减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号电压的影响，提高了LDO在GBW中频处的电源电压抑制比。
图6为本发明实施例提供的另一种低压差线性稳压器的结构示意图。与图5所示结构的低压差线性稳压器不同的是，图6所示结构的低压差线性稳压器中的放大器1包括m级N型场效应管组100，结合图2和图6，放大器1包括m级N型场效应管组100和电流源15，每级N型场效应管组100包括第一N型场效应管13和第二N型场效应管14，前m-1级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1与同一N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1电连接，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2与第n级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2与第n级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3电连接，第i级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第i+1级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2电连接，第i级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第二极Q3与第i+1级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2电连接，第m级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器1的反向输入端A2，第m级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器1的同向输入端A1，第m级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND；其中，n为大于1的整数，i为正整数。
图6示例性地设置m等于2，即设置放大器1包括两级N型场效应管组100，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1与同一N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1电连接，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2与第二级P型场效应管组200中的第一P型场效应管11的第二极K3电连接，第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2与第二级P型场效应管组200中的第二P型场效应管12的第二极L3电连接，第一级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第一极M2电连接，第一级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第二极Q3与第二级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的第一极Q2电连接，第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的栅极M1作为放大器1的反向输入端A2，第二级N型场效应管组100中的第二N型场效应管14的栅极Q1作为放大器1的同向输入端A1，第二级N型场效应管组100中的第一N型场效应管13的第二极M3与第二N型场效应管14的第二极Q3均与电流源15的第一极T1电连接，电流源15的第二极T2接入第二电源信号GND。同样的，第二补偿元件5的设置增加了第一电源信号VDD至第二电源信号GND的通路L1，减小了第一电源信号VDD或第二电源信号GND的变化对稳压信号输出端VOUT输出的稳压信号电压的影响，提高了LDO在GBW中频处的电源电压抑制比。
示例性的，图3至图6所示的低压差线性稳压器中的放大器均为套筒式共源共栅放大器，使得低压差线性稳压器在低频下获得较大的增益。低压差线性稳压器中的放大器也可以是折叠式共源共栅放大器，同样能够使得低压差线性稳压器在低频下获得较大的增益，本发明实施例对低压差线性稳压器中的放大器的具体类型不作限定。
参照图2至图6，第一阻抗元件61可以作为零点抵消电阻消除第一补偿元件4产生的零点。具体的，频域包括右半平面的RHP(Right Half Plane)零点以及左半平面的LHP(Left Half Plane)零点，第一阻抗元件61的设置使得RHP零点z1满足如下计算公式：
其中，C1为第一补偿元件4的电容值，R为第一阻抗元件61的阻值，gm为放大器1的等效跨导。为了消除RHP零点，可以设置R等于
将该RHP零点推向无穷远，其影响可以完全忽略。
当R大于
时，零点的性质由RHP零点变为LHP零点，第一阻抗元件61的设置使得LHP零点z2满足如下计算公式：
参照上述公式，另一种补偿策略则为增加第一阻抗元件61的阻值R使反馈零点成为稳定的LHP零点并至少位于2GBW处，当LHP零点与极点接近时，可消除极点的作用。
参照图2至图6，可以设置第二补偿元件5包括多个第二补偿电容51，所有第二补偿电容51的第一极F11电连接作为第二补偿元件5的第一极F1，所有第二补偿电容51的第二极F21电连接作为第二补偿元件5的第二极F2，设置至少部分第二补偿电容51为晶体管电容。图2至图6示例性地设置第二补偿元件5包括两个第二补偿电容51，一个第二补偿电容51可以为固定的MOM电容，即同层金属的边沿之间的电容或MIM电容，即不同层金属之间的层间电容，另一个第二补偿电容51可以为可变的晶体管电容，即MOS电容。具体的，参照下述公式：
Ct为第一补偿元件4的电容值与功率开关2的寄生电容的总和，C2为第二补偿元件5的电容值，功率开关2的寄生电容为功率开关2的栅源之间的电压，场效应管的栅源电压会随着温度的变化而变化。为了提高LDO的电源电压抑制比PSRR，应使Ct与C2尽量接近，因此设置第二补偿元件5中包括至少一个MOS电容，即第二补偿元件5的电容值也会随温度的变化而变化，有利于提高LDO的电源电压抑制比PSRR。
图7为本发明实施例提供的一种低压差线性稳压器的电源电压抑制比效果图。图7中曲线A为图1所示现有技术中低压差线性稳压器的电源电压抑制比效果图，曲线B为包含有第二补偿元件低压差线性稳压器的电源电压抑制比效果图，横坐标表示频率，纵坐标表示电源电压抑制比，由图7可以看出，第二补偿元件的设置使得LDO在中频段的电源电压抑制比提高了30dB以上。
本发明实施例提供的低压差线性稳压器，利用第二补偿元件使第一电源信号与第二电源信号之间形成通路，所述通路能够减小第一电源信号与第二电源信号变化引起的放大信号输出端的输出信号的变化，降低了第一电源信号与第二电源信号的变化对功率开关控制端电压的影响，功率元件能够根据控制端的输入信号调节第二端的输出信号，进而降低了第一电源信号以及第二电源信号变化对功率开关第二端，即稳压信号输出端输出的稳压信号的影响，在实现低压差线性稳压器稳压功能的同时，提高了低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比，且本发明实施例利用第二补偿元件实现低压差线性稳压器中频处电源电压抑制比的提高，未通过提高GBW以提高低压差线性稳压器在中频处的电源电压抑制比，避免了提高GBW导致的低压差线性稳压器的功耗大以及效率低的问题，降低了低压差线性稳压器的功耗。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (5)
1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括：
放大器，所述放大器包括同向输入端、反向输入端、补偿信号输入端和放大信号输出端，所述反向输入端接入参考信号，所述放大器用于根据所述同向输入端、所述反向输入端和所述补偿信号输入端的输入信号调节所述放大信号输出端的输出信号；
功率开关，所述功率开关包括控制端、第一端和第二端，所述控制端与所述放大信号输出端电连接，所述第一端接入第一电源信号，所述第二端作为所述低压差线性稳压器的稳压信号输出端，所述功率开关用于根据所述控制端的输入信号调节所述第二端的输出信号；
分压电路，所述分压电路包括第一分压信号输入端、第二分压信号输入端和分压信号输出端，所述第一分压信号输入端与所述第二端电连接，所述第二分压信号输入端接入第二电源信号，所述分压信号输出端与所述同向输入端电连接，所述分压电路用于对所述第一分压信号输入端和所述第二分压信号输入端的输入信号进行分压后形成分压信号并通过所述分压信号输出端输出；
第二补偿元件，所述第二补偿元件的第一极与所述补偿信号输入端电连接，所述第二补偿元件的第二极与所述第二分压信号输入端电连接，所述第一电源信号通过所述第二补偿元件与所述第二电源信号之间形成通路，所述通路使所述第一电源信号与所述第二电源信号变化引起的所述放大信号输出端的输出信号的变化减小；
第一阻抗元件和第一补偿元件，所述第一阻抗元件的第一端与所述功率开关的控制端电连接，所述第一阻抗元件的第二端与所述第一补偿元件的第一极电连接，所述第一补偿元件的第二极与所述功率开关的第二端电连接；
所述第一补偿元件和所述第二补偿元件均包括补偿电容；
所述第二补偿元件包括多个第二补偿电容，所有所述第二补偿电容的第一极电连接作为所述第二补偿元件的所述第一极，所有所述第二补偿电容的第二极电连接作为所述第二补偿元件的所述第二极，至少部分所述第二补偿电容为晶体管电容；
所述分压电路包括：
第二阻抗元件和第三阻抗元件，所述第二阻抗元件的第一极作为所述分压电路的第一分压信号输入端，所述第二阻抗元件的第二极与所述第三阻抗元件的第一极电连接作为所述分压电路的分压信号输出端，所述第三阻抗元件的第二极作为所述分压电路的第二分压信号输入端；
所述功率开关包括场效应管，所述场效应管的栅极作为所述功率开关的所述控制端，所述场效应管的第一极作为所述功率开关的第一端，所述场效应管的第二极作为所述功率开关的第二端。
2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述放大器包括第一P型场效应管和第二P型场效应管；
所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，所述第一P型场效应管的栅极与所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的补偿信号输入端；
所述放大器还包括第一N型场效应管、第二N型场效应管和电流源，所述第一N型场效应管的第一极与所述第一P型场效应管的第二极电连接，所述第二N型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第二极电连接，所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号。
3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述放大器包括第一P型场效应管和第二P型场效应管；
所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，所述第一P型场效应管的栅极与所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的补偿信号输入端；
所述放大器还包括m级N型场效应管组和电流源，每级所述N型场效应管组包括第一N型场效应管和第二N型场效应管，前m-1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极与同一所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极与所述第一P型场效应管的第二极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极所述第二P型场效应管的第二极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极电连接，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；其中，i为正整数，m为大于1的整数，i＜m。
4.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述放大器包括n级P型场效应管组，每级所述P型场效应管组包括第一P型场效应管和第二P型场效应管，所有所述第一P型场效应管的栅极与所有所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的所述补偿信号输入端，第一级所述P型场效应管组的所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，第i级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第一极电连接，第i级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第一极电连接；
所述放大器还包括第一N型场效应管、第二N型场效应管和电流源，所述第一N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极电连接，所述第二N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极电连接，所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；其中，n为大于1的整数，i为正整数，i＜n。
5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述放大器包括n级P型场效应管组，每级所述P型场效应管组包括第一P型场效应管和第二P型场效应管，所有所述第一P型场效应管的栅极与所有所述第二P型场效应管的栅极电连接作为所述放大器的所述补偿信号输入端，第一级所述P型场效应管组的所述第一P型场效应管的第一极与所述第二P型场效应管的第一极均接入所述第一电源信号，第i级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第一极电连接，第i级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极与第i+1级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第一极电连接；
所述放大器还包括m级N型场效应管组和电流源，每级所述N型场效应管组包括第一N型场效应管和第二N型场效应管，前m-1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极与同一所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第一P型场效应管的第二极电连接，第一级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极与第n级所述P型场效应管组中的所述第二P型场效应管的第二极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第一极电连接，第i级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第二极与第i+1级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的第一极电连接，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的栅极作为所述放大器的所述反向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第二N型场效应管的栅极作为所述放大器的同向输入端，第m级所述N型场效应管组中的所述第一N型场效应管的第二极与所述第二N型场效应管的第二极均与所述电流源的第一极电连接，所述电流源的第二极接入所述第二电源信号；其中，m、n为大于1的整数，i为正整数，i＜n，i＜m。
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