专利名称：一种驱动nF级负载的低压差线性稳压器的制作方法
技术领域：
本发明属于稳压器设计技术领域，具体涉及一种适用于驱动nF级负载的低压差 线性稳压器。
背景技术：
低压差线性稳压器是一种常用的电压转换电路，它因为具有面积小，易集成，纹波 小的优点而被广泛使用。其设计的难点主要为稳定性问题。如今为了确保其稳定性，主要 有两种方法。其一采用一个很大的输出电容(一般为uF级)以稳定环路，这种方法简单 有效易于实现，可是却会增加成本和面积，不易于集成；其二 采用一个很小的输出电容一 般为(O-IOOpF)，将主极点放在第一级误差放大器的输出端以实现环路的稳定性。这种方 法设计简单，易于集成因此现如今被广泛采用。可是，第二种方法的低压差线性稳压器无法 驱动较大的负载(如nF级)，如果当所需要驱动的负载电容较大为nF级时，该低压差线性 稳压器便无法稳定。从以上的分析中我们可以看到，无论是大负载电容(uF级)或是小负 载电容(PF)级，因为可以将主次极点很好的分离从而得到环路的稳定性。但是当输出电容 为nF级，电路便很难稳定，因为位于功率管栅极的极点与位于功率管漏级的极点(即输出 极点)很难分离，从而形成共轭极点严重影响环路稳定性。若采用传统的miller补偿的方 法，至少需要一个300pF的补偿电容才能稳定，这样大大增加了电路面积和成本。本发明提出了一种新型的，不需要大电容补偿就可以驱动nF级负载并在0_50mA 负载下都具有良好的稳定性的低电压线性稳压器，从而提供了一种很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型无需大电容补偿的，可以驱动nF级电容负载的 低压差线性稳压器。发明提供的低压差线性稳压器，由误差放大器、补偿电容、自适应极点调节电路、 输出采样电路、功率管、负载电容和带反馈的负载电路组成。其中，由输出采样电路对输出 电压Vtm进行采样后输入到误差放大器的负端，误差放大器将反馈电压与参考电压的误差 信号进行比较放大后，单端输出到自适应极点调节电路，通过自适应的对极点进行调节以 保证稳定性后输入到功率管的栅极，进行负载调节。最后引入带负反馈的负载电路，以减小 负载电阻，从而保证在零电流时电路的稳定性；输出采样电路由电阻R1、R2构成，接在输出电压Vqut和地之间，采样信号由电阻Rl 和R2分压之后送到误差放大器的负端，与参考电压Vref进行比较，放大；补偿电容接在第一级的输出与地之间，以设定主极点；负载电容接在输出与地之间。本发明无需大电容补偿，可以驱动nF级电容负载。该低压差线性稳压器采用 SMICO. 13um CMOS 1P9M混合信号工艺条件设计，输出电容值为7nF，输入电压标称值为 1. 2V，输出电压标称值为0. 9V，输出最大电流为50mA.利用电路仿真软件对两个主要环路
3进行仿真后表明，当负载电流为OmA和50mA时，均能保证环路的稳定性。利用电路仿真软 件对设计好的版图进行后版图后仿真的结果表明当输出负载电流从OmA到50mA瞬时跳 变时，该低压差线性稳压器的响应时间小于3us，过冲电压小于0. 07V。当输出负载电流从 50mA到OmA瞬时跳变时，该低压差线性稳压器的响应时间小于3us，过冲电压约为0. 06V。
图1为本发明的低压差线性稳压器整体结构框图。图2为自适应极点调节电路。图3为带负反馈的负载电路。图4为环路的小信号模型以及幅频特性。图5为输出电流在OmA到50mA之间跳变的输出电流输出电压变化曲线。图6为该低压差线性稳压器的效率曲线图。
具体实施例方式以下结合附图及实例对本发明进行详细说明。如图1所示，无需大电容补偿的，可以驱动nF级电容负载的新型低压差线性稳压 器，由电阻Rl，R2组成的输出采样电路4对输出电压进行采样，将采样电压输入到误差放大 器1的负端。误差放大器1通过将输出电压与参考电压的差值进行比较放大，单端输出送 到自适应极点调节电路3。我们将主极点pi放在误差放大器1的输出端，通过调节补偿电 容2的值可以调节主极点，这里补偿电容2可为20pF。同时，我们将次极点p2放在输出端， 将第三个极点P3放在功率管5的栅极，因此，稳定性最差的情况分别出现在电流最大和电 流最小的情况下。当负载电流增大的时候，P2增大向p3靠近；而电流减小的时候，p2减小 向Pl靠近，所以只要能满足这两种极端情况下的稳定性，就能满足整个环路的稳定性。自 适应极点调节电路3能够在电流大的时候相应的增大第三个极点p3，从而不需要增大静态 功耗便能满足环路的稳定性。将经过自适应极点调节电路3的信号输入到功率管5进行负 载调节。同时通过引入带有负反馈的负载电路6可以减小负载对环路稳定性的影响，当负 载电流很小的时候也能满足环路的稳定性。如图2所示，为本发明所采用的自适应极点调节电路。其中，MOS管Ml的栅极接 在误差放大器的输出端，源级连接输出电压Vqut，漏级与偏置电流源Il以及MOS管M2的源 级相连，在该电路中作用为共源放大器。Il为偏置电流，同时偏置MOS管Ml和MOS管M2。 MOS管M2为一个共栅放大器，其栅极为一个恒定电压源Vl偏置，源级与电流源11和MOS管 Ml的漏级相连，其漏级与电阻R3、MOS管M3以及功率管5的栅极相连。其中电阻R3 —端 连接电源VDD，一端连接功率管5的栅极，MOS管M3为二极管连接，其栅极与漏级连在一起 共同接到功率管5的栅极，而其源级连接到电源VDD。电阻R3，MOS管M3以及功率管5栅 极加上miller效应的寄生电容Ap*Cgsp决定了第三个极点p3的位置。
权利要求
一种驱动nF级负载的低压差线性稳压器，其特征在于该稳压器由误差放大器(1)、补偿电容(2)、自适应极点调节电路(3)、输出采样电路(4)、功率管(5)、带反馈的负载电路(6)以及负载电容(7)组成；其中输出采样电路由两个电阻(R1，R2)构成，接在输出电压VOUT和地之间，补偿电容(2)接在第一级的输出与地之间以设定主极点，负载电容COUT(7)接在输出与地之间；由输出采样电路(4)对输出电压VOUT进行采样，然后输入到误差放大器(1)的负端，误差放大器(1)将反馈电压与参考电压的误差信号进行比较放大后，单端输出到自适应极点调节电路(3)，通过自适应的对极点进行调节以保证稳定性后输入到功率管(5)的栅极，进行负载调节；最后，引入带负反馈的负载电路(6)，以减小负载电阻，从而保证在零电流时电路的稳定性。
2.根据权利要求1所述的驱动nF级负载的低压差线性稳压器，其特征在于所述的自 适应极点调节电路⑶中，第一 MOS管(Ml)的栅极接在误差放大器(1)的输出端，源级连 接输出电压VOT，漏级与偏置电流源Il以及第二 MOS管(M2)的源级相连，在该电路中作用 为共源放大器；第二 MOS管(M2)为一个共栅放大器，其栅极为一个恒定电压源Vl偏置，其 源级与偏置电流源Il和第一 MOS管(Ml)的漏级相连，其漏级与电阻R3、第三MOS管(M3) 以及功率管(5)的栅极相连；其中电阻R3—端连接电源VDD，另一端连接功率管(5)的栅 极，第三MOS管(M3)为二极管连接，其栅极与漏级连在一起共同接到功率管(5)的栅极，而 其源级连接到电源VDD。
3.根据权利要求2所述的驱动nF级负载的低压差线性稳压器，其特征在于所述的带 负反馈的负载电路(6)中，第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)、第三MOS管(10)、电阻1 3、功 率管(5)、偏置电流源Il以及偏置电压源Vl均与自适应极点调节电路(3)中的电路复用； 第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、电阻R3、功率管(50、电流源Il以及 偏置电压源Vl连接关系与自适应极点调节电路(3)中的完全相同；并且功率管(5)漏级与 下拉MOS管(M4)以及输出电容和负载相接，同时回连到第一 MOS管(Ml)的源级；这里，第 一 MOS管(Ml)作为共栅放大器工作；下拉MOS管(M4)的栅极连接到第一 MOS管(Ml)的漏 级，源级接地，漏级与输出Vott相连接。
全文摘要
本发明属于稳压器设计技术领域，具体为驱动nF级负载的低压差线性稳压器。该线性稳压器包括误差放大器、补偿网络、带反馈的负载、输出采样网络和自适应极点调节电路。该电路只需要20pF的补偿电容就能在全负载电流范围内保持良好的相位裕度，而传统的miller补偿结构则需要至少200pF的补偿电容，而且通过自适应极点调节电路的引入能够大大减小静态功耗。本发明不需要大电容补偿就可以驱动nF级负载并在0-50mA负载下都具有良好的稳定性。
文档编号G05F1/56GK101957625SQ20101024636
公开日2011年1月26日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者洪志良, 虞佳乐, 陈伟, 龚晓寒 申请人:复旦大学