专利名称：基于电流控制环路的低输出电压快速响应ldo电路的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计领域，用于低压降稳压电路(Low-dropout Regulator, LD0)的设计，具体涉及一种利用电流控制环路提高LDO瞬态响应能力的电路结构。
背景技术：
电源类集成电路是电子系统不可缺少的组成部分。低压降稳压器LDO作为电源类集成电路的一种，因其使用灵活、受电源电压影响小、输出纹波小等优势而得到广泛的应用。图IA是一种典型的LDO电路结构，采用电阻网络采样与运算放大器(Operational Amplifier, 0P)放大误差电压。这是一种典型的二阶环路，图IB是该环路的传输模型。尽管LDO有众多的优点，但仍然有几个方面的问题限制了 LDO的使用，其中较为突出的就是瞬态响应的问题。图IC是典型LDO电路在负载阶跃变化时的输出电压波形。典型LDO电路对负载的瞬态变化的响应能力有限，导致LDO的输出电压出现较大的波动。决定瞬态响应能力的主要因素来源于LDO环路的阻尼因子ζ和固有频率ωη，二者的乘积决定环路系统的时间常数。由于LDO中功率管面积较大，其栅电容的容值相应的较大，例如在 0. 35 μ m工艺下10000 μ m宽度的功率管的栅电容就可达50pF以上，这是导致环路时间常数过大的重要因素之一。此外，常见的LDO结构的基准参考电压来自于1.23V输出的带隙基准电压源，1. 23V的带隙基准电压限制了输出电压的范围，无法产生低于IV的电压输出。对于LDO电路而言，负载能力决定了功率管的尺寸，基准参考电位又限制了输出电压的高低，因此提高LDO电路对负载瞬态变化的响应能力，实现较低的电压输出，必须克服LDO电路本身的固有问题，以新的电路结构来实现低电压和快速响应的目标。
发明内容
如前文所述，典型的LDO电路对负载瞬态变化缺乏足够快的响应，且无法产生低于参考基准电压的输出。针对这个问题，本发明公开了一种基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO电路。图2是该LDO的功能结构示意图，其主要的技术思想为1.对输出电压的采样方式由电阻网络采样改为电压缓冲器直接采样；典型LDO电路使用电阻网络采样输出电压，采样精度受电阻网络比例精度的限制，特别是使用片外分立电阻元件时，采样精度无法保证，在本文公开的LDO电路中使用电压缓冲器采样输出电压，具有很高的采样精度；2.对采样电压进行“电压-电流”的转换，将转换后的电流信号作为环路的运算信号载体；典型LDO电路中使用电压信号作为环路的运算物理量，而电流信号无论在响应速度还是控制精度上都优于电压信号；3.引入基准参考电流作为环路的基准源，使用电流求差的方式进行误差求取；电流信号可以使用简单的节点电流求差的方式进行误差电流求取，较之典型LDO电路中的误差电压放大更精确，响应更迅速；4.用跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier，0ΤΑ)取代运算放大器OP成为核心误差放大器，实现对误差电流的放大；5.利用环路滤波器对误差电流进行积分，并形成对功率管的控制电压；具有低通特性的环路滤波器能够有效滤除参考电流和外部的高频干扰，在保证环路响应速度的前提下能有效提高环路的稳定性，减小输出纹波；6.利用电流信号参与运算，避免由基准参考电压引入的输出电压限制，可以产生较低的输出电压。基于图2的功能结构示意图，本文提出的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO的电路图如图3所示。其技术优势主要体现在如下几个方面1.利用运算放大器对输出电压进行采样，采样精度较高，而且利用电阻Rtl和R1的不同比例可以实现对超低输出电压的采样；2.将采样电压转换成电流信号与基准参考电流信号进行运算，电流信号响应速度更快，控制精确；3.差值电流仅驱动跨导放大器OTA内部源极跟随器的栅极电容，响应迅速；4.差值电流经内部源极跟随器放大，驱动环路滤波器，具有低通属性的环路滤波器可以滤除环路的高频信号，提高环路稳定性；5.由于功率管的尺寸通常较大，其栅电容的容值也相应较大，因此一般可以利用功率管的栅电容充当环路滤波电容，从而可以简化电路结构；6.输出电压不受基准参考电压的限制，可以实现超低电压输出。
图1典型LDO的电路结构㈧、环路模型⑶和瞬态响应的输出电压波形(C)；图2本发明公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO的功能结构示意图；图3本发明公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO的电路结构图；图4本文公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO的控制环路模型；图5图4的环路对阶跃响应的输出波形及其包络曲线㈧、环路的阻尼因子与固有频率的关系曲线(B)；图6图3所示电路中跨导放大器OTA的小信号模型；图7图3所示电路各项指标与偏置电压Vb的关系；图8图3所示电路负载正向阶跃时的电压输出(A)、负载负向阶跃时的电压输出 ⑶；图9图3所示电路的电源抑制效果。
具体实施例方式以下结合附图，详细说明本发明公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应 LDO的结构和工作过程。本发明公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO由电压缓冲器、跨导放大器、环路滤波器和功率管组成，片外还带有片外负载。电压缓冲器作为电压采样模块， 由运算放大器0P、电阻R0和R1组成，输出电压V。ut连接至运算放大器OP的同相输入端，运算放大器OP的输出端Vs连接到电阻Rtl的一端，同时还连接到跨导放大器OTA的输入管Mtl 的栅极，电阻Rtl的另一端连接到运算放大器OP的反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地。跨导放大器OTA由匪OS输入管M。、匪OS管共源共栅电流镜MpM2J^M4和PMOS 管共源共栅电流镜M5、M6、M7、M8，以及NMOS管射极跟随器M9、M1Q组成，其中M0管的栅极作为 OTA的输入端，连接到运算放大器OP的输出端\，M1管栅漏短接并连接到M4管的栅极和M0 管的源极，M2管栅漏短接并连接到M3管的栅极和M1管的源极，M2管的源极接地，M3管的漏极连接M4管的源极，M3管的源极接地，M4管的漏极连接M9管的栅极和M5管的漏极，M5管的栅极连接M8管的栅极和漏极并作为参考电流的输入端，M5管的源极连接M6管的漏极， M6管的栅极连接M7管的栅极和漏极，并连接到M8管的源极，M6管和M7管的源极接电源，M9 管的漏极接电源，M9管的源极连接Mltl管的漏极并作为跨导放大器OTA的输出连接到功率管 M11的栅极以及环路滤波器Cint的一端，M10管的源极接地，栅极连接偏置电压\。环路滤波器Cint的另一端接地。NMOS功率管M11的漏极接电源，源极作为整个LDO的输出B。ut连接到片外去耦电容Q的一端和负载&的一端，去耦电容Q的另一端和负载&的另一端均接地。工作过程中，电压缓冲器采样输出电压V。ut，跨导放大器OTA对采样电压完成“电压-电流”的转换，并与基准参考电流进行比较，差值电流经环路滤波器积分后形成功率管的控制电压。稳态条件下，跨导放大器OTA不产生对环路滤波电容Cint的充电或放电电流， 环路满足[Equ. 1]，其中K为NMOS管共源共栅电流镜的电流放大系数，Vc为OTA输入管M0 的源极电压。
1W f R +Rλ^p--Vout-Vc -K = Iref[Equ.l]
1L0 V Kl
10032] 动态情况下，当负载电流增大时输出电压V。ut出现下降趋势，此时，采样电压Vs相应的下降，导致OTA输入管Mtl的漏电流减小，跨导放大器OTA产生对环路滤波器Cint的充电电流，使得NMOS型功率管M11的栅压上升，增大对负载的电流供给能力，避免输出电压V。ut 的下降。当负载电流减小时，采样电压\相应的上升，导致OTA输入管M0的漏电流增大，跨导放大器OTA产生对环路滤波电容Cint的放电电流，使得功率管M11的栅压下降，减弱对负载的电流供给能力，避免输出电压V。ut的上升。图4所示为本发明公开的基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO电路的环路模型，其中A1为电压缓冲器的增益，Gm为跨导放大器OTA的跨导，Cint为环路滤波器，gm为功率管的跨导，Cl为片外去耦电容，Rl为片外负载。环路的开环传递函数为[Equ. 2]所示
权利要求
1. 一种低压降稳压器LDO的电路结构，包括借鉴电荷泵式锁相环的环路控制方法，将反馈电压转换成电流，以电流信号为载体与基准参考电流比较，差值电流经积分后控制功率管；电路结构包括电压缓冲器、跨导放大器、环路滤波器、功率管和片外负载五个部分，具体的电路形式为由运算放大器(0P)、电阻(R0)和(R1)构成电压缓冲器，其中运算放大器(OP)的同相输入端连接至低压降稳压器 (LDO)电路的电压输出端(V。ut)，运算放大器(OP)的输出端(Vs)连接到电阻(Rtl)的一端和跨导放大器输入管(Mtl)的栅极，电阻(Rtl)的另一端连接电阻(R1)的一端和运算放大器 (OP)的反相输入端，电阻(R1)的另一端接地；NMOS晶体管(Mc^MpMyMpMpMyMici)和PMOS 晶体管(M5、M6、M7、M8)构成跨导放大器，输入管(Mtl)的栅极连接运算放大器(OP)的输出 (Vs)，(M0)的漏极接电源，(M0)的源极连接(M1)管的漏极、栅极和(M4)管的栅极，(M1)管的源极连接(M2)管的栅极、漏极和(M3)管栅极，(M2)管的源极接地，(M3)管的源极接地，(M3) 管的漏极连接(M4)管的源极，(M4)管的漏极连接(M5)管的漏极和(M9)管的栅极，(M5)管的栅极连接(M8)管的栅极和漏极，(M5)管的源极连接(M6)管的漏极，(M6)管的栅极连接(M7) 管的栅极、漏极和(M8)管的源极，(M6)管的源极接电源，(M7)管的源极接电源，(M8)管的漏极作为参考电流(Iref)的输入端，(M9)管的漏极接电源，(M9)管的源极连接(Mltl)管的漏极， 并连接到环路滤波器(Cint)的一端和功率管(M11)的栅极，环路滤波器(Cint)的另一端接地， (M10)管的栅极连接偏置电压(Vb)，(M10)管的源极接地；功率管(M11)的漏极接电源，(M11) 的源极作为(LDO)电路的输出(V。ut)连接去耦电容(Cl)的一端和负载( )的一端，去耦电容(CJ的另一端接地，负载(RJ的另一端接地。
全文摘要
对负载的瞬态变化的响应能力是反应低压降稳压器LDO性能的一项重要指标。本发明借鉴电荷泵式锁相环的环路控制方法，公开了一种基于电流控制环路的低输出电压快速响应LDO结构，将反馈电压转换为电流，控制环路中以电流信号为载体进行运算，差值电流经环路滤波器积分后形成功率管的控制电压。基于电流控制环路的低压降稳压器对负载的瞬态变化具有良好响应能力，并且可以产生低于典型带隙基准电压的电压输出。本发明公开的基于电流控制环路的快速响应LDO电路由电压缓冲器、跨导放大器、环路滤波器、功率管和片外负载组成。
文档编号G05F1/56GK102298407SQ20101020999
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者乐大珩, 何小威, 吴了, 孙岩, 张民选, 李少青, 段志奎, 王丽萍, 王志鹏, 谢伦国, 赵振宇, 郭阳, 陈吉华, 马卓 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学