专利名称：一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种无需外挂电容快速响应负载变
化的线性稳压电路。
背景技术：
线性稳压电路(LD0)由于具有输出电压纹波小，噪声小，静态电流小等优点广泛 应用于各种模拟集成电路和混合信号集成电路中。 传统的LDO电路如图1所示，其中VREF_GEN为基准电压产生电路，OP为运算放大 器，MP1为输出调整管，RF1和RF2为反馈电阻，RL为负载电阻，CL为负载电容。该线性稳压 电路工作原理描述如下基准电压产生电路输出一个基准电压给运算放大器的负输入端， 反馈电阻将输出电压按比例反馈给运算放大器的正输入端，运算放大器电路检测反馈电压 和基准电压的差值，根据差值的大小调节输出调整管MPl的栅极电压，当反馈电压VFB大于 基准电压VREF时，运算放大器将输出调整管的栅极电压Vc拉高，此时输出电压VOUT降低， 从而使反馈电压VFB降低到基准电压VREF ;当反馈电压VFB小于基准电压VREF时，运算放 大器将输出调整管的栅极电压Vc拉低，此时输出电压VOUT升高，从而使反馈电压VFB升高 到基准电压VREF。因此该电路通过运算放大器和调整管的负反馈来稳定输出电压VOUT，当 电路工作稳定后，其输出电压的值由下式给出
VOUT = VREF* (RF1+RF2) /RF2 对于图1所示的LDO电路，当负载发生快速跳变(ns级)时，主要通过负载电容CL 来提供负载跳变时所需的瞬态电流，从而得到稳定的输出电压。这样，该LDO电路就必须由 外部提供一个uF级以上的大电容来提供良好的负载瞬态响应，因此会增加系统成本。并 且，外挂电容寄生电阻的大小会影响LDO电路的环路稳定性，大大增加了系统设计的复杂 性。如果没有外部的电容CL，当负载发生快速跳变(ns级)时，必须由负反馈环路来响应负 载的跳变，这就要求整个环路带宽要大于GHz，由于输出调整管MPl为一个宽长比非常大， 其栅极的寄生电容比较大，要得到GHz级的环路带宽，运算放大器的电流必须非常大，否则 环路带宽的不足导致输出电压VOUT发生跳变，当输出电压VOUT的跳变超过±10%时将引 起该LDO供电的系统工作不正常。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提出了一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性 稳压电路，可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输出电 压，在不增加系统功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了 LDO的负载响应速度。
本发明的技术实施方案如下 —种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于包括均用于 控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器10、驱 动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器11、比较器12、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2 组成的比较器环路形成； 还包括基准电压产生电路13，用于提供运算放大器10、比较器11、比较器12的三 个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为VRH > VR > VRL。
所述线性稳压电路的具体电路连接结构如下 运算放大器10的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VR相连，运算 放大器10的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器10的输出端和 驱动管MPR的栅极相连； 比较器II的正输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRL相连，比较器
II的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器II的输出端和场效应管MN1的栅极相连； 比较器12的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRH相连，比较器
12的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器12的输出端和场效应管MN2的栅极相连； 驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连； 场效应管丽l的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起； 场效应管丽2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起； 电阻RF1与运算放大器10连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和
驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连； 驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另
一端和驱动管MPR的漏极相连。 所述线性稳压电路的工作原理为 当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈 电压VFB等于基准电压VR，此时比较器II、比较器12的输出均为低电平，场效应管丽l和 场效应管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作； 当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输 出电压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器12输出高 电平，场效应管丽2导通将输出电压VOUT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压 值； 当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲
电压低于VRL(RF1+RF2)/RF2时，比较器II输出高电平，场效应管丽l导通将LDO驱动管
MPR的栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值； 整个LDO电路在负载从lmA跳变到100mA，再跳变到lmA，上升下降时间为100ns，
输出电压的跳变峰峰值为113mV，完全满足线性电源±10%的一般要求。 电阻Rc为米勒补偿调零电阻，电容Cc为米勒补偿电容，Rc和Cc串联产生一个左
半平面的零点提高LDO电路的相位裕度，该零点的值为l/(Rc*Cc);电容Cc，通过极点分裂
使主极点往低频移动，次主极点往高频移动，从而使运算放大器环路稳定。 本发明的优点如下 该电路可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输 出电压，在不增加系统功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了 LDO的负载响应速度。
图1为传统的LD0电路 图2为本发明的电路结构示意图 图3为本发明运算放大器的一种实现原理图 图4为本发明比较器的一种实现原理图 图5为本发明LDO电路的仿真波形图
具体实施例方式
如图2所示，一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，包括均用于 控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器10、驱 动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速 变化，由比较器11、比较器12、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2 组成的比较器环路形成； 还包括基准电压产生电路13，用于提供运算放大器10、比较器11、比较器12的三 个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为VRH > VR > VRL。
所述线性稳压电路的具体电路连接结构如下 运算放大器10的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VR相连，运算 放大器10的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器10的输出端和 驱动管MPR的栅极相连； 比较器II的正输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRL相连，比较器 II的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器II的输出端和场效应管MN1的栅极相连；
比较器12的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRH相连，比较器 12的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器12的输出端和场效应管MN2的栅极相连；
驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连；
场效应管丽l的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起；
场效应管丽2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起；
电阻RF1与运算放大器10连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和 驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连； 驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另
一端和驱动管MPR的漏极相连。 所述线性稳压电路的工作原理为 当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈 电压VFB等于基准电压VR，此时比较器I1、比较器I2的输出均为低电平，场效应管丽l和 场效应管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作； 当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输 出电压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器12输出高 电平，场效应管丽2导通将输出电压V0UT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压 值； 当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲电压低于VRL(RF1+RF2)/RF2时，比较器II输出高电平，场效应管丽l导通将LDO驱动管 MPR的栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值；
电阻Rc为米勒补偿调零电阻，用于产生一个左半平面的零点，提高相位裕度，电 容Cc为米勒补偿电容，用于米勒补偿，使运算放大器环路稳定。 如图3所示，所述运算放大器10通过场效应管MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16 以及MN11、MN12、MN13、MN14来实现，具体方式为MPll的源极，MP12的源极，MP13的源极， MP14的源极和电源相连；MPll的栅极，MPll的漏极，MP12的栅极和MN12的漏极相连；MP12 的漏极，MP15的源极和MP16的源极相连；MP13的栅极，MP13的漏极，MP14的栅极和MN13的 漏极相连；MP14的漏极和丽16的漏极相连；丽16的栅极，丽15的栅极，丽15的漏极和MP16 的漏极相连；丽13的栅极，丽14的栅极，丽14的漏极和MP15的漏极相连；丽ll的源极，丽12 的源极，丽13的源极，丽14的源极，丽15的源极，丽16的源极和地相连；丽12的栅极，丽ll 的栅极和丽ll的漏极相连，作为运算放大器10的偏置电流输入；MP15的栅极为运算放大 器10的负输入端，MP16的栅极为运算放大器10的正输入端。 如图4所示，所述比较器I1、比较器I2的结构相同，具体结构均由场效应管MP21、 MP22以及MN21、MN22、MN23、MN24来实现，具体方式为MP21的源极，MP22的源极和电源相 连；MP21的漏极，MP21的栅极，MP22的栅极和MN21的漏极相连；MP22的漏极和MN22的漏极 相连；丽23的漏极，丽23的栅极和丽24的栅极相连；丽23的源极，丽24的源极和地相连； 丽24的漏极，MN21的源极和丽22的源极相连，MN21的栅极为比较器的正输入端，丽22的 栅极为比较器的负输入端。 如图5所示，负载跳变从lmA到100mA，再跳变到lmA，上升下降时间为100ns，从仿 真图中可以看出，输出电压的跳变峰峰值为113mV，完全满足线性电源±10%的一般要求。
权利要求
一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特征在于包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；还包括基准电压产生电路I3，用于提供运算放大器I0、比较器I1、比较器I2的三个基准电压VR、VRL、VRH，这三个基准电压的关系为VRH＞VR＞VRL。
2. 根据权利要求1所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，其特 征在于具体电路连接结构如下运算放大器10的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VR相连，运算放大 器10的正输入端和电阻RF1的一端、电阻RF2的一端相连，运算放大器10的输出端和驱动 管MPR的栅极相连；比较器II的正输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRL相连，比较器II的负输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器II的输出端和场效应管MN1的栅极相连；比较器12的负输入端和基准电压产生电路13的输出基准电压VRH相连，比较器12的正输入端和电阻RF2的另一端相连，比较器12的输出端和场效应管MN2的栅极相连； 驱动管MPR的源极和电源相连，漏极和电阻RF1的另一端相连； 场效应管MN1的漏极和驱动管MPR的栅极相连，源极和地连接在一起； 场效应管MN2的漏极和驱动管MPR的漏极相连，源极和地连接在一起； 电阻RF1与运算放大器10连接的一端和电阻RF2的一端相连，电阻RF1另一端和驱动管MPR的漏极相连，电阻RF2的另一端和地相连；驱动管MPR的栅极还连接有电阻Rc，电阻Rc的另一端连接电容Cc，电容Cc的另一端和驱动管MPR的漏极相连。
3. 根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路， 其特征在于其工作原理如下当输出点负载恒定时，输出电压由运算放大器环路控制，运算放大器环路的反馈电压 VFB等于基准电压VR，此时比较器11 、比较器12的输出均为低电平，场效应管丽l和场效应 管MN2关断，不影响运算放大器环路正常工作；当输出点负载由重负载变为轻负载时，由于运算放大器环路的响应速度不够，输出电 压有一个向上跳变的过冲，当过冲电压超过VRH(RF1+RF2)/RF2时，比较器12输出高电平， 场效应管丽2导通将输出电压VOUT下拉，从而降低了输出电压向上跳变的过冲电压值；当输出点负载由轻负载变为重负载时，输出电压有一个向下跳变的过冲，当过冲电压 低于VRL(RF1+RF2) /RF2时，比较器II输出高电平，场效应管MN1导通将LDO驱动管MPR的 栅极拉低，从而拉高输出电压，降低了输出电压向下跳变的过冲电压值；电阻Rc为米勒补偿调零电阻，用于产生一个左半平面的零点；电容Cc为米勒补偿电 容，用于米勒补偿。
4. 根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路， 其特征在于所述运算放大器10通过场效应管MPll、 MP12、 MP13、 MP14、 MP15、 MP16以及 MN11、MN12、MN13、MN14来实现，具体的连接方式如下场效应管MPll的源极，MP12的源极，MP13的源极，MP14的源极和电源相连；MPll的栅 极，MPll的漏极，MP12的栅极和MN12的漏极相连；MP12的漏极，MP15的源极和MP16的源极 相连；MP13的栅极，MP13的漏极，MP14的栅极和MN13的漏极相连；MP14的漏极和MN16的 漏极相连；丽16的栅极，丽15的栅极，丽15的漏极和MP16的漏极相连；丽13的栅极，丽14 的栅极，丽14的漏极和MP15的漏极相连；丽ll的源极，丽12的源极，丽13的源极，丽14的 源极，丽15的源极，丽16的源极和地相连；丽12的栅极，MN11的栅极和丽ll的漏极相连， 作为运算放大器10的偏置电流输入；MP15的栅极为运算放大器10的负输入端，MP16的栅 极为运算放大器10的正输入端。
5.根据权利要求1或2所述的一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路， 其特征在于所述比较器11、比较器12的结构相同，均由场效应管MP21、 MP22以及丽21、 MN22、MN23、MN24来实现，其具体的连接方式为MP21的源极，MP22的源极和电源相连；MP21的漏极，MP21的栅极，MP22的栅极和MN21 的漏极相连；MP22的漏极和丽22的漏极相连；丽23的漏极，丽23的栅极和丽24的栅极相 连；丽23的源极，丽24的源极和地相连；丽24的漏极，丽21的源极和丽22的源极相连，MN21 的栅极为比较器的正输入端，丽22的栅极为比较器的负输入端。
全文摘要
本发明公开了一种无需外挂电容快速响应负载变化的线性稳压电路，包括均用于控制电压的慢通路和快通路；所述慢通路用于提供精确的输出电压，由运算放大器I0、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的运算放大器环路形成；所述快通路用于响应负载的快速变化，由比较器I1、比较器I2、场效应管MN1、场效应管MN2、驱动管MPR、电阻RF1、电阻RF2组成的比较器环路形成；该电路可以通过慢速的运算放大器环路和快速的比较器环路两个环路来控制输出电压，在不增加系统功耗和无需外部大电容的情况下，大大提高了LDO的负载响应速度。
文档编号G05F1/56GK101727120SQ200910216379
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者朱国军 申请人:四川和芯微电子股份有限公司