一种基于双反馈跨导的LDO电路的制作方法

本发明涉及稳压器技术，特别涉及一种基于双反馈跨导的LDO(low dropout linear低压线性稳压器)电路。

背景技术：

随着集成电路的快速发展，LDO作为重要的电源管理模块广泛应用于SoC芯片设计中。典型LDO结构如图1所示，包含参考电压、误差放大器、功率管和反馈电阻。其中参考电压通常由带隙基准电路提供,LDO的输出通常要高于1.24V。而随着CMOS工艺尺寸的不断缩减，芯片供电电压不断降低，基于典型结构的LDO难以应用于低功耗低压供电领域。

另外基于典型结构进行LDO设计主要是通过调节环路零/极点的位置，来实现环路快速负载瞬态响应和环路稳定，提高LDO的负载瞬态响应能力通常采用米勒补偿技术，通过在电路中增加串联电容电阻来引入零点，进而调节环路的带宽和相位裕度，但由于补偿电容和电阻的引入，引起芯片面积的增加；加之电容和电阻易受工艺的影响产生偏移，因此如何解决了低功耗芯片低压供电问题和环路响应与稳定性仍然是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提出一种可将带隙基准从LDO电路中移除，并实现低供电输出和环路快速响应，解决了低功耗芯片低压供电问题和环路响应与稳定性问题的基于双反馈跨导的LDO电路。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于双反馈跨导的LDO电路，包括正反馈环路、负反馈环路、功率管M_p，晶体管M₉，电阻R_st、R_L，电容C_int及电容C_L；其中，

所述正反馈环路的输入端与LDO输出电压V_out及所述功率管M_p的漏极相连，输出端与所述功率管M_p的栅极连接；

所述负反馈环路的输入端与LDO输出电压V_out及所述功率管M_p的漏极相连，输出端与所述功率管M_p的栅极连接，负反馈环路还连接电源V_dd；

所述功率管M_P的漏极与LDO输出电压V_out相连，源极连接电源V_dd，电容C_int设于所述功率管M_p的栅极与地之间；

所述电阻R_L与电容C_L并联后连接于LDO输出电压V_out与地之间；

所述晶体管M₉的源极与所述功率管M_p的栅极连接，漏极接地，栅极通过电阻R_st连接电源V_dd。

本发明提供的一种基于双反馈跨导的LDO电路，其工作原理为由于正反馈环路与负反馈环路构成的环路对LDO电路的输出影响是相反的，存在竞争机制，并存在两个平衡点：即输出零电压和稳态输出电压。通过启动电路可将LDO输出电压V_out脱离零电压平衡点，逐渐趋于稳态输出电压点。该电压值即为基于双反馈跨导LDO的稳态输出电压，并且该电压值仅与晶体管阈值和尺寸比有关。当LDO输出电压V_out高于稳态电压时，正反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行放电，构成正反馈；负反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行充电，构成负反馈；负反馈环路充电速度大于正反馈环路放电的速度，因此PMOS功率管M_p的栅压升高，调节LDO输出电压稳定。

当LDO输出电压V_out低于稳态电压时，正反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管Mp的栅极寄生电容C_int进行充电，构成正反馈；负反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行放电，构成负反馈；负反馈环路放电速度大于正反馈环路充电速度，因此PMOS功率管M_p的栅压降低，调节LDO输出电压稳定。

当LDO输出电压V_out为稳态电压值时，正反馈环路、负反馈环路对PMOS功率管栅极M_p寄生电容C_int的充放电能力相同，因而可确立并保持LDO输出电压稳定。由于正反馈环路与负反馈环路的加入，实现了双环路跨导，通过对PMOS功率管M_p的栅压进行调节，其输出电压仅有MOS晶体管的阈值电压和电路中的晶体管尺寸比决定，从而摆脱了带隙基准电压的限制，实现低供电输出和环路快速响应，并解决了低功耗芯片低压供电问题和环路响应与稳定性问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型LDO电路结构；

图2为本发明正/负反馈环路跨导电路原理图；

图3为本发明基于双反馈跨导的LDO电路原理图。。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2至图3，一种基于双反馈跨导的LDO电路，包括正反馈环路、负反馈环路、功率管M_p，晶体管M₉，电阻R_st、R_L，电容C_int及电容C_L；其中，

所述正反馈环路的输入端与LDO输出电压Vout及所述功率管M_p的漏极相连，输出端与所述功率管M_p的栅极连接；

所述负反馈环路的输入端与LDO输出电压Vout及所述功率管M_p的漏极相连，输出端与所述功率管M_p的栅极连接，负反馈环路还连接电源V_dd；

所述功率管M_P的漏极与LDO输出电压Vout相连，源极连接电源V_dd，电容C_int设于所述功率管M_p的栅极与地之间；

所述电阻R_L与电容C_L并联后连接于LDO输出电压Vout与地之间；

所述晶体管M9的源极与所述功率管M_p的栅极连接，漏极接地，栅极通过电阻R_st连接电源V_dd。

优选的，所述正反馈环路包括晶体管M6、M10和电容C₁，其中晶体管M6的源极接地，漏极与功率管M_p的栅极连接，栅极与晶体管M10的漏极连接；晶体管M10的栅极接地，源极与LDO输出电压V_out连接，电容C₁连接于晶体管M10的漏极与栅极之间。

优选的，所述负反馈环路包括晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M7、M8；其中晶体管M7的栅极、漏极与晶体管M8的栅极相连，晶体管M7的栅极与LDO输出电压V_out连接；M7的源极与晶体管M8的漏极相连，连线名为Vfb，M8的源极接地；晶体管M1的栅极与M8的漏极相连，M1的源极接地，漏极与晶体管M2的漏极、栅极及M5的栅极相连；晶体管M2的源极与晶体管M3漏极、栅极及M4的栅极相连；晶体管M3的源极与M4的源极均与电源Vdd相连，M4的漏极与M5的源极相连，M5的漏极与功率管M_p的栅极连接。

优选的，双反馈跨导输入端分别是晶体管M10的源极和晶体管M7的栅极，M7采样二极管连接方式，输出端I_gm为晶体管M5和M6的漏极；其中电容C_int为功率管M_p的栅极寄生电容，C_L和R_L为等效负载，电阻R_st和晶体管M9构成启动电路，C₁和M10的沟道阻抗构成滤波结构。

双反馈跨导中晶体管M2、M3、M4、M5构成共源共栅电流镜结构，电流放大倍数为K₁。

基于双反馈跨导LDO的输出电压V_out的表达式为：

其中，(W/L)_i＝1,2...9为相应晶体管Mi，i＝1,2,3……N的尺寸。K₁₆为晶体管M1宽长比(W/L)₁与晶体管M6宽长比(W/L)₆的比值；K₇₈为晶体管M7宽长比(W/L)₇与晶体管M8宽长比(W/L)₈的比值；V_thn为nMOS晶体管的阈值电压。

通过上式可知，本发明所提LDO的输出电压仅由NMOS晶体管的阈值电压和电路中晶体管的尺寸比决定，摆脱了带隙基准电压的限制，因而可以实现低功耗低电压供电输出。

基于双反馈跨导LDO的闭环传输函数为：

其中s为频率变量。

整理后得到环路稳定系数ζ和固有频率ω_n表达式为：

其中G_m为双反馈跨导，gmp为功率管Mp的跨导，通过上述公式可知，当LDO的负载C_L和R_L和功率管M_p尺寸一定时，LDO环路的瞬态响应能力由双反馈跨导G_m决定，因此通过调节参数G_m即可实现环路瞬态响应的最优化。

本发明提供的一种基于双反馈跨导的LDO电路，其工作原理为由于正反馈环路与负反馈环路构成的环路对LDO电路的输出影响是相反的，存在竞争机制，并存在两个平衡点：即输出零电压和稳态输出电压。通过启动电路可将LDO输出电压V_out脱离零电压平衡点，逐渐趋于稳态输出电压点。该电压值即为基于双反馈跨导LDO的稳态输出电压，并且该电压值仅与晶体管阈值和尺寸比有关。当LDO输出电压V_out高于稳态电压时，正反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行放电，构成正反馈；负反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行充电，构成负反馈；负反馈环路充电速度大于正反馈环路放电的速度，因此PMOS功率管M_p的栅压升高，调节LDO输出电压稳定。

当LDO输出电压V_out低于稳态电压时，正反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管Mp的栅极寄生电容C_int进行充电，构成正反馈；负反馈环路采样输出电压V_out并转换为电流，对PMOS功率管M_p的栅极寄生电容C_int进行放电，构成负反馈；负反馈环路放电速度大于正反馈环路充电速度，因此PMOS功率管M_p的栅压降低，调节LDO输出电压稳定。

当LDO输出电压V_out为稳态电压值时，正反馈环路、负反馈环路对PMOS功率管栅极M_p寄生电容C_int的充放电能力相同，因而可确立并保持LDO输出电压稳定。由于正反馈环路与负反馈环路的假如，实现了双环路跨导，通过对PMOS功率管M_p的栅压进行调节，其输出电压仅有MOS晶体管的阈值电压和电路中的晶体管尺寸比决定，从而摆脱了带隙基准电压的限制，实现低供电输出和环路快速响应，并解决了低功耗芯片低压供电问题和环路响应与稳定性问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。