一种基于自适应功率管技术的无片外电容ldo电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LD0电路领域，更具体地，涉及一种基于自适应功率管技术的无片外电 容LD0电路。
【背景技术】
[0002] 随着平板电脑、智能手机等便携式设备的普及，人们对电池使用时间长短的要求 越来越高，静态电流和低输入输出电压差显得尤为重要。低压差线性稳压器(LD0)拥有低静 态功耗，低噪声，电路结构相对简单，外围元器件少，电路规模小等优点，因而可以被广泛应 用在便携式电子产品设备中。
[0003] 传统的LD0的电路结构如图1所示，需在输出端额外增加一个片外电容，其电容的 值达到yF级。片外电容也有比较严重的缺陷，其尺寸是很大的，无法在LD0芯片内部集成，无 法适应便携式电子产品小型化的发展趋势。如图2所示，现阶段，无片外电容型的LD0结构由 于节省了片外的大电容，结构简单，成为了研究的热点。
[0004] 相较传统的LD0，无片外电容型LD0主极点和稳定性情形是不同的:传统的LD0的主 极点位于有庞大的电容的输出端，而无片外电容型LD0的主极点一般在功率管的栅极；由于 它们主极点和非主极点位置的不同，各自稳定性最严峻的情形也不同，传统的LD0最差的情 形是在大负载的时候，因为大的负载，输出阻抗降低，主极点往高频的方向移动，增益带宽 积GBW也随之增大，而非主极点不变，所以相位裕度变小。无片外电容型LD0最差的情形却与 之相反，它发生在轻载或空载的时候，轻载时，输出阻抗变大，非主极点向低频移动，也就是 向GBW方向移动，导致相位裕度变小。因此，对于无片外电容型LD0我们需要研究新的补偿方 案来保证环路稳定的工作。目前的补偿方案多有最小负载电流要求，在空载的情况下难以 稳定，因此有必要研究宽输出驱动范围的补偿方案。
【发明内容】
[0005] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，一种基于自适应功率管技术的 无片外电容LD0电路，具有低工作电压、低空载电流、高环路增益、宽输出驱动范围的优点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于自适应功率管技术的无片外电容LD0电路，通过LD0输出端输出电压，所 述LD0电路包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单元、主功率管 和副功率管;所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过控制电压输出端输出； 所述第一级放大器的第一输入端与LD0输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的 输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一 端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管和 副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二端与LD0输 出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。
[0008] 在一种优选的方案中，所述控制电压产生单元包括PM0S管1^1、]\^2、]\^5、]\^6和 NMOS管1^3、1^4、1?3、1?4，以及电容0&;所述1^1与1^2以电流镜结构连接，即1^2的漏极、栅 极和MA1的栅极连接，MA2和MA1的源极接电源，MA3的漏极与MA1的漏极连接，MA3的栅极接基 准电压Vref，MA4的漏极与MA2的漏极连接，MA4的栅极与MA5的漏极连接，MA3和MA4的源极与 MB3的漏极连接，MB3和MB4的源极接地，MB3和MB4的栅极连接后作为第一偏置电流源并输出 偏置电压Nbias，MA6的栅极、漏极与MB4的漏极连接，作为控制电压产生单元的控制电压输 出端，MA5的漏极与MA6的源极连接，MA5的栅极与MA1的漏极连接，MA5的源极接电源；电容Ca 的一端接M3的漏极，另一端接MA5的漏极。
[0009] 在一种优选的方案中，所述第一级放大器包括PM0S管Ml和MB2，NM0S管M2和MB1;所 述Ml的源极作为第一输入端与LD0输出端连接，Ml栅极作为第二输入端接控制电压产生单 元的控制电压输出端，M2源极与Ml漏极连接，M2栅极接偏置电压Vbias，MBl漏极与Ml漏极连 接，MB1源极接地，MB1栅极接偏置电压Nbias，MB2漏极与M2漏极连接并作为第一级放大器的 输出端，MB2源极接电源，MB2栅极接偏置电压Pbias，MB1和MB2均作为偏置电流源。Ml和M2组 成折叠式共栅级放大器，作为第一级放大器。
[0010] 在一种优选的方案中，所述第二级放大器包括PM0S管M3、M7和M8,匪0S管M4、M5和 M6;所述M3栅极与第一级放大器的输出端连接，M3源极接电源，M3漏极与M4漏极连接，M4与 M5以电流镜结构连接，即M4漏极、栅极与M5栅极连接，M4和M5的源极接地，M6栅极与Ml漏极 连接，M6源极接地，M6漏极与M7漏极连接，M7和M8以电流镜结构连接，即M7漏极、栅极与M8栅 极连接，M7和M8的源极接电源，M8漏极与M5漏极连接并作为第二级放大器输出端。
[0011] M3、M4和M5组成一个正增益放大器，M6、M7和M8构成一条前馈通道，能改善相位裕 度;M5和M8形成一个推挽输出级，能增强摆率，实现对主功率管的栅极电容快速充放电，增 强LD0的负载瞬态响应。
[0012] 在一种优选的方案中，所述频率补偿单元包括密勒补偿电容Cm和前面所述M2，Cm 第一端接M2源极，第二端接LD0输出端，Cm和M2组成折叠补偿结构。M2起隔断从第一级放大 器到LD0输出端前馈通道的作用，对比传统密勒补偿，折叠补偿消除了右半平面零点，并实 现更高电流-带宽效率。
[0013] 主功率管MP2的宽长比是副功率管MP1的几十倍，在电路工作时，根据负载电流大 小，主功率管MP2会自动关闭或者打开，相应地，LD0分别工作在两级放大器以及三级放大器 状态，从而便于LD0在不同的负载条件下保持环路的稳定性。
[0014] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是:本发明提供一种基于自适应功 率管技术的无片外电容LD0电路，包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频 率补偿单元、主功率管和副功率管;所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过 控制电压输出端输出；所述第一级放大器的第一输入端与LD0输出端电连接，第二输入端与 控制电压产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、 频率补偿单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端 电连接，主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单 元的第二端与LD0输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。多级放大器的结 构，实现了环路的高增益，因此LD0的线性调整率和负载调整率性能也得到很大的改善。本 发明具有低工作电压、低空载电流、高环路增益、宽输出驱动范围的优点。
【附图说明】
[0015] 图1为传统的低压差线性稳压器的结构示意图。
[0016] 图2为无片外电容型低压差线性稳压器的结构示意图。
[0017] 图3为本发明LD0电路结构示意图。
[0018]图4为本发明控制电压产生电路。
[0019] 图5为本发明LD0主体电路。
[0020] 图6为本发明LD0处在两级放大器状态下的小信号模型。
[0021] 图7为本发明LD0处在三级放大器状态下的小信号模型。
【具体实施方式】
[0022] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;对于本领域技术人员来说， 附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0023]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0024] 实施例1
[0025]如图3所示，一种基于自适应功率管技术的无片外电容LD0电路，通过LD0输出端输 出电压，所述LD0电路包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单 元、主功率管和副功率管;所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过控制电压 输出端输出;所述第一级放大器的第一输入端与LD0输出端电连接，第二输入端与控制电压 产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿 单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接， 主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二 端与LD0输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。
[0026] II为LD0负载，其一端接地，另一端接LD0输出端，CPP与IL并联，CPP为走线的寄生电 容，一般在PF级别，IL与CPP并联。
[0027] 如图3所示，在具体实施过程中，所述控制电压产生单元包括PM0S管MAI、MA2、MA5、 MA6和匪0S管1^3、]\^4、冊3、冊4，以及电容〇&;所述1^1与]\^2以电流镜结构连接，即]\^2的漏 极、栅极和ΜΑ 1的栅极连接，MA2和ΜΑ 1的源极接电源，MA3的漏极与ΜΑ 1的漏极连接，MA3的栅 极接基准电压Vref，MA4的漏极与MA2的漏极连接，MA4的栅极与MA5的漏极连接，MA3和MA4的 源极与MB3的漏极连接，MB3和MB4的源极接地，MB3和MB4的栅极连接后作为第一偏置电流源 并输出偏置电压Nb i a s，MA6的栅极、漏极与MB4的漏极连接，作为控制电压产生单元的控制 电压输出端，MA5的漏极与MA6的源极连接，MA5的栅极与MA1的漏极连接，MA5的源极接电源； 电容Ca的一端接M3的漏极，另一端接MA5的漏极。
[0028] 控制电压产生单元主体是一个单位增益的放大器，Vref是一个与温度和电源电压 无关的基准电压源，VSGA6为MA6的源栅电压，由电路连接关系可知V ctri = Vrrf-VSGA6〇
[0029] 如图5所示，在具体实施过程中，所述第一级放大器包括PM0S管Ml和MB2，NM0S管M2 和MB1;所述Ml的源极作为第一输入端与LD0输出端连接，Ml栅极作为第二输入端接控制电 压产生单元的控制电压输出端，M2源极与Ml漏极连接，M2栅极接偏置电压Vbias，MBl漏极与 Ml漏极连接，MB1源极接地，MB1栅极接偏置电压Nbias，MB2漏极与