一种高电源抑制比的低压差线性稳压器的制作方法

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种高电源抑制比的低压差线性稳压器电路。

背景技术：

如图1所示为传统的低压差线性稳压器电路，通常放置于受电单元前，典型的低压差线性稳压器结构一般由电压基准源vref、误差放大器ea、功率晶体管mp、反馈网络rf1和rf2组成。其工作原理如下：利用负反馈系统对输出电压进行采样，然后与基准电压进行比较，通过环路的调节使输出电压vout稳定。误差放大器ea用于将采样电压与基准电压进行比较；功率晶体管是负载电流的流经通道，通过负反馈环路控制其导通的强弱，通常使用pmos管。

然而传统的低压差线性稳压器电路在输出电压vout升高时，经过电阻分压反馈网络后的反馈电压也会升高，导致误差放大器的输出电压升高，使得低压差线性稳压器电路输出电压不稳定。另外传统的低压差线性稳压器电路中，存在电源上的纹波和噪声通过功率晶体管流入负载和耦合到功率晶体管的栅端，再通过功率晶体管较大的跨导转换成输出端的电流流入负载，这对低压差线性稳压器电路的电源抑制比产生了较大的影响。

技术实现要素：

针对上述传统的低压差线性稳压器存在的输出电压不稳定和电源抑制比受影响较大的不足之处，本发明提出了一种高电源抑制比的低压差线性稳压器电路，通过在误差放大器的输出端与功率晶体管的栅端之间加入缓冲级和辅助模块，实现低压差线性稳压器在环路保持稳定情况下的高电源抑制比。

本发明的技术方案如下：

一种高电源抑制比的低压差线性稳压器，包括误差放大器、功率开关管、第一反馈电阻、第二反馈电阻和第一电容，

误差放大器的反相输入端连接基准电压，其输出端连接功率开关管的控制端；

功率开关管两端分别连接电源电压和所述低压差线性稳压器的输出端；

第一反馈电阻和第二反馈电阻串联并连接在所述低压差线性稳压器的输出端和地之间，其串联点连接误差放大器的同相输入端；

第一电容连接在所述低压差线性稳压器的输出端和地之间；

所述低压差线性稳压器还包括辅助模块和缓冲级，

所述辅助模块包括第一直流电流源、第一开关管、第二开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一运算放大器，其中第一开关管为所述功率开关管按比例缩小复制获得；

第一开关管流过第一直流电流源的电流，并与第二开关管组成电流镜结构，第二开关管镜像的电流在第一电阻上产生压降获得辅助电压信号；

第一运算放大器的反相输入端连接所述辅助电压信号，其同相输入端连接第二电阻的一端和第三电阻的一端，其输出端作为所述辅助模块的输出端并连接第三电阻的另一端；第二电阻的另一端接地；

所述缓冲级包括第四电阻、第二运算放大器、第二直流电流源、第三直流电流源、第九pmos管、第五nmos管和第六nmos管，

第四电阻的一端连接所述辅助模块的输出端，另一端连接第二运算放大的反相输入端；

第九pmos管的栅极连接第二运算放大器的同相输入端和输出端，其源极连接第二直流电流源，其漏极连接第五nmos管的栅极和漏极以及第六nmos管的栅极；

第六nmos管的源极连接第五nmos管的源极并接地，其漏极作为所述缓冲级的输出端并连接第二直流电流源；

所述缓冲级的输出端连接所述功率开关管的控制端。

具体的，所述功率开关管为pmos功率管，pmos功率管的栅极作为所述功率开关管的控制端连接误差放大器的输出端和所述缓冲级的输出端，其源极连接电源电压，其漏极连接所述低压差线性稳压器的输出端。

具体的，所述第一开关管为第七pmos管，第二开关管为第八pmos管，第七pmos管的栅漏短接并连接第八pmos管的栅极和第一直流电流源，其源极连接第八pmos管的源极并连接电源电压；第一电阻一端接地，另一端连接第八pmos管的漏极并输出所述辅助电压信号。

具体的，所述功率开关管为nmos功率管，nmos功率管的栅极作为所述功率开关管的控制端连接误差放大器的输出端和所述缓冲级的输出端，其漏极连接电源电压，其源极连接所述低压差线性稳压器的输出端。

具体的，所述第一开关管为第七nmos管，第二开关管为第八nmos管，第七nmos管的栅漏短接并连接第八nmos管的栅极和第一直流电流源，其源极连接第八nmos管的源极并接地；第一电阻一端连接电源电压，另一端连接第八nmos管的漏极并输出所述辅助电压信号。

具体的，所述误差放大器包括第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管、第五pmos管、第六pmos管和第四直流电流源，

第三pmos管的栅极作为所述误差放大器的反相输入端，其源极连接第四pmos管的源极和第二pmos管的漏极，其漏极连接第一nmos管的栅极和漏极以及第二nmos管的栅极和第四nmos管的栅极；

第四pmos管的栅极作为所述误差放大器的同相输入端，其漏极连接第二nmos管的漏极和第三nmos管的栅极；

第一pmos管的栅漏短接并连接第二pmos管的栅极和第四直流电流源，其源极连接第二pmos管、第五pmos管和第六pmos管的源极并连接电源电压；

第六pmos管的栅极连接第三nmos管的漏极以及第五pmos管的栅极和漏极，其漏极连接第四nmos管的漏极并作为所述误差放大器的输出端；

第一nmos管、第二nmos管和第四nmos管的源极接地。

本发明的有益效果为：本发明在低压差线性稳压器中引入缓冲级和辅助模块，能够实现当输入电源电压高于设置电压时，输出电源电压恒定为设置输出电压，稳定输出电压，并且输出电源电压受温度变化、工艺偏差的影响较小，同时能够给受电单元提供更加干净且电源纹波较小的电源电压。

附图说明

图1为传统低压差线性稳压器的电路结构示意图。

图2为本发明提供的一种高电源抑制比的低压差线性稳压器在功率管开关管为pmos功率管时的实现框图。

图3为本发明提供的一种高电源抑制比的低压差线性稳压器中误差放大器的一种电路实现结构图。

图4为本发明提供的一种高电源抑制比的低压差线性稳压器在功率管开关管为pmos功率管时辅助模块和缓冲级的一种实现电路结构示意图。

图5为本发明提供的一种高电源抑制比的低压差线性稳压器在功率管开关管为nmos功率管时的实现框图。

图6为本发明提供的一种高电源抑制比的低压差线性稳压器在功率管开关管为nmos功率管时辅助模块和缓冲级的一种实现电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提出一种高电源抑制比的低压差线性稳压器，包括误差放大器、功率开关管、第一反馈电阻r6、第二反馈电阻r7和第一电容cl，误差放大器的反相输入端连接基准电压vref，其输出端连接功率开关管的控制端；功率开关管两端分别连接电源电压vdd和低压差线性稳压器的输出端；第一反馈电阻r6和第二反馈电阻r7构成反馈网络串联并连接在低压差线性稳压器的输出端和地之间，其串联点连接误差放大器的同相输入端；第一电容cl连接在低压差线性稳压器的输出端和地之间。

其中功率开关管一般选择pmos管，如图2所示，功率开关管为pmos功率管mp，pmos功率管mp的栅极作为功率开关管的控制端连接误差放大器的输出端和缓冲级的输出端，其源极连接电源电压vdd，其漏极连接低压差线性稳压器的输出端。

一些情况下，功率开关管也可以选择nmos管，如图5所示，功率开关管为nmos功率管mn，nmos功率管mn的栅极作为功率开关管的控制端连接误差放大器的输出端和缓冲级的输出端，其漏极连接电源电压vdd，其源极连接低压差线性稳压器的输出端。

本发明提出的低压差线性稳压器的工作原理是：在输入电源vin即电源电压vdd上电后，利用负反馈系统对低压差线性稳压器的输出电压vout进行采样，然后与参考电压即基准电压vref进行比较，通过环路的调节使输出电压vout稳定。误差放大器用于将采样电压与基准电压vref进行比较；功率开关管(以pmos功率管mp为例进行说明)是负载电流的流经通道，通过负反馈环路控制其导通的强弱。

当输出电压vout升高时，经过电阻分压反馈网络后的反馈电压vfb也会升高，误差放大器的输出电压升高，造成低压差线性稳压器输出不稳定。而本发明设置了缓冲级，缓冲级为同相缓冲器，因此pmos功率管mp的栅极电压升高，从而减小流过pmos功率管mp的负载电流，使得输出电压vout下降，从而抵消输出电压vout升高的变化。同理，当输出电压vout下降时，经过环路控制后会使得流过pmos功率管mp的负载电流增大，从而使输出电压vout升高，最终输出电压vout得以稳定。实际情况中pmos功率管mp的输出阻抗不是无穷大，所以会有电源上的纹波和噪声通过pmos功率管mp的输出阻抗rds和漏极与衬底之间的电容cdb流入负载，以及通过pmos功率管mp的栅源电容cgs耦合到功率管的栅端，再通过功率管较大的跨导转换成输出端的电流流入负载，以上两点将较大的影响低压差线性稳压器电路的电源抑制比，因此本发明提出了辅助模块结合缓冲级用于改善低压差线性稳压器电路的电源抑制比。

其中辅助模块包括第一直流电流源i0、第一开关管、第二开关管、第一电阻r2、第二电阻r3、第三电阻r4和第一运算放大器op1，其中第一开关管为功率开关管按比例缩小复制获得；第一开关管流过第一直流电流源i0的电流，并与第二开关管组成电流镜结构，第二开关管镜像的电流在第一电阻r2上产生压降获得辅助电压信号；第一运算放大器op1的反相输入端连接辅助电压信号，其同相输入端连接第二电阻r3的一端和第三电阻r4的一端，其输出端作为辅助模块的输出端并连接第三电阻r4的另一端；第二电阻r3的另一端接地。

第一开关管和第二开关管组成电流镜结构，且第一开关管是由功率开关管按比例缩小复制获得，因此当功率开关管为pmos管时，第一开关管和第二开关管也为pmos管，如图4所示，第一开关管为第七pmos管mp6，第二开关管为第八pmos管mp7，第七pmos管mp6的栅漏短接并连接第八pmos管mp7的栅极和第一直流电流源i0，其源极连接第八pmos管mp7的源极并连接电源电压vdd；第一电阻r2一端接地，另一端连接第八pmos管mp7的漏极并输出辅助电压信号。

因此当功率开关管为nmos管时，第一开关管和第二开关管也为nmos管，如图6所示，第一开关管为第七nmos管mn6，第二开关管为第八nmos管mp7，第七nmos管mn6的栅漏短接并连接第八nmos管mp7的栅极和第一直流电流源i0，其源极连接第八nmos管mp7的源极并接地；第一电阻r2一端连接电源电压vdd，另一端连接第八nmos管mp7的漏极并输出辅助电压信号。

如图4和图6所示，缓冲级包括第四电阻r5、第二运算放大器op2、第二直流电流源i1、第三直流电流源i2、第九pmos管、第五nmos管mn4和第六nmos管mn5，第四电阻r5的一端连接辅助模块的输出端，另一端连接第二运算放大器op2的反相输入端；第九pmos管的栅极连接第二运算放大器op2的同相输入端和输出端，其源极连接第二直流电流源i1，其漏极连接第五nmos管mn4的栅极和漏极以及第六nmos管mn5的栅极；第六nmos管mn5的源极连接第五nmos管mn4的源极并接地，其漏极作为缓冲级的输出端并连接第二直流电流源i1；缓冲级的输出端连接功率开关管的控制端。

在中低频的条件下，提高低压差线性稳压器电路的环路增益，可以有效提高电源抑制比。但在高频条件下，由于没有大的片外电容对电源噪声进行滤除，因此需要设计辅助电路来增强电源抑制比psr在高频下的表现。影响高频下电源抑制比的主要因素在于从电源到输出的小信号路径和由于功率开关管有限的输出阻抗而产生的分压。本发明设计了一个通路，经过一个缓冲器将信号注入到功率开关管的栅端来进行补偿，使得功率管栅极电压不随电源纹波的变化而变化，即在ac条件下，功率管栅极电压为0，从而保证其达到抑制电源纹波的作用。

以功率开关管为pmos功率管mp为例进行说明，具体实现方式为在缓冲级和辅助模块中，设计一个和pmos功率管mp按比例缩小复制的第七pmos管mp6，流经第七pmos管mp6受电源纹波影响而产生的的漏极电流为

其中，id_mp6是第七pmos管mp6受电源纹波影响而产生的漏极电流，cgdr是第七pmos管mp6的栅漏电容，cgsr是第七pmos管mp6的栅源电容，gmp6是第七pmos管mp6的跨导，rdsmp6是第七pmos管mp6的输出电阻。

由于上式中第二项远小于第一项，所以可以认为

id_mp6这个电流信号可以有效跟踪电源纹波的变化，这个电流通过由第七pmos管mp6和第八pmos管mp7构成的电流镜后大小仍然为scgdrvdd，并在第一电阻r2上产生一个大小为scgdrvddr2的压降，通过由第一运算放大器op1、第二电阻r3和第三电阻r4组成的按比例放大电路，放大后得到的电压为scgdrvddr2*(1+r4/r3)，放大后得到的这个信号经过由第二运算放大器op2构成的电压跟随器得到的值仍然为scgdrvddr2*(1+r4/r3)，信号再经过第九pmos管mp8的跨导转换成电流信号scgdrvddr2*(1+r4/r3)*gmp8，通过适当设计第一电阻r2、第二电阻r3和第三电阻r4之间的比例关系和第九pmos管mp8，可以得到

其中cgd是pmos功率管mp的栅漏电容，gmp8是第九pmos管mp8的跨导。

scgdvdd信号再通过由第五nmos管mn4和第六nmos管mn5构成的电流镜达到缓冲级的输出端，并从缓冲级的输出端注入到pmos功率管mp的栅极，用以抵消从电源到输出的小信号路径和由于功率开关管有限的输出阻抗而产生的分压，从而实现提高电源抑制比的功能。

如图3所示给出了误差放大器的一种实现结构，另外也可以使用其他输入共模电压合适的电压放大器，本实施例中误差放大器包括第一nmos管mn0、第二nmos管mn1、第三nmos管mn2、第四nmos管mn3、第一pmos管mp0、第二pmos管mp1、第三pmos管、第四pmos管mp3、第五pmos管mp4、第六pmos管mp5和第四直流电流源，第三pmos管的栅极作为误差放大器的反相输入端，其源极连接第四pmos管mp3的源极和第二pmos管mp1的漏极，其漏极连接第一nmos管mn0的栅极和漏极以及第二nmos管mn1的栅极和第四nmos管mn3的栅极；第四pmos管mp3的栅极作为误差放大器的同相输入端，其漏极连接第二nmos管mn1的漏极和第三nmos管mn2的栅极；第一pmos管mp0的栅漏短接并连接第二pmos管mp1的栅极和第四直流电流源，其源极连接第二pmos管mp1、第五pmos管mp4和第六pmos管mp5的源极并连接电源电压vdd；第六pmos管mp5的栅极连接第三nmos管mn2的漏极以及第五pmos管mp4的栅极和漏极，其漏极连接第四nmos管mn3的漏极并作为误差放大器的输出端；第一nmos管mn0、第二nmos管mn1和第四nmos管mn3的源极接地。

综上所述，本发明通过设置缓冲级和辅助模块，在功率开关管栅极电压变化升高或降低时，减小或增大流过功率开关管的负载电流，使得低压差线性稳压器的输出电压下降或升高，从而抵消输出电压的变化，输出电源电压受温度变化、工艺偏差的影响较小，实现稳定输出电压；另外通过缓冲级将信号注入到功率开关管的栅端来进行补偿，使得功率开关管栅极电压不随电源纹波的变化而变化，实现抑制电源纹波的作用，提高了电源抑制比。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。