专利名称：自适应频率补偿低压差线性稳压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，能工作在2-5V输入电压下， 提供1. 8V固定输出电压，最大可以驱动IOOmA电流。具有环路带宽大、驱动适应性强、在不 同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。
背景技术：
低压差线性稳压器在集成电路中有着广泛的用途，一般用来为芯片内部电路提供 稳定的内核电压。低压差线性稳压器可以工作在很宽的输入电压范围内，具有很强的电源 适应性。除此之外，使用低压差线性稳压器也可以一定程度上消除外部电源的毛刺和干扰。 特别是在使用电池供电的场合，目前很多模拟数字芯片的内核电源电压在1.2V-1.8V，而电 池的电压通常是固定的。在芯片内集成低压差线性稳压器，如此具有不同内核电压的芯片 就可以工作在同样的电源电压下，实现高度的实用灵活性。由于低压差线性稳压器通常采 用反馈结构，配合误差放大器在一定带宽内可以实现较高的电源抑制比，消除了外部电源 噪声和干扰信号的影响。低压差线性稳压器在芯片内部是当作电源使用的，其输出电流有着很宽的变化范 围。对应的等效输出负载可以从几百兆欧一直变化到几十欧，从低压差线性稳压器的反馈 环路看，其输出极点的位置会变化数万倍。这会给整个低压差线性稳压器反馈环路的稳定 性设计带来很大的挑战。为了消除该效应的影响，通常的做法是在输出端并联一个很大的 电容，将输出极点拉到足够低的位置。直到在最小负载情况下反馈环路的单位增益频率低 于环路第二个极点的位置。从而保证了在最差情况下环路相位裕度大于45度。但这样做 的后果是并联了一个太大的电容(通常是数十至数百PF)，使得环路带宽被严重限制了， 对干扰和电源波动的抑制能力也有所下降。另一种方法是使用缓冲器(通常是源跟随器)来 提高第二，第三极点的位置，使得这些极点远离主极点(输出极点)，即使主极点(输出极点) 的位置发生很大的变化，次极点的位置始终大于单位增益频率。但是这样做的主要缺点是 要实现较高的次极点位置，需要很大的电流来驱动这些缓冲器。这样的做法直接导致了低 压差线性稳压器的高功耗。为了在提高次极点位置的同时不增加过多的额外功耗，需要设 计出具有更高电流效率的缓冲器，即在较低的偏置电流下即可实现很低的输出电阻。另外 可以引入自适应频率补偿技术，即次极点位置根据主极点的变化而相应变化，在主极点位 置较低时，只需要较低的电流便可以实现保证次极点大于单位增益频率。而在输出大电流 即负载较低时，对缓冲器注入额外电流，使得次极点与主极点以相同的速度增加，继续保证 环路的稳定性。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种使用自适应频率补偿技术，包含两级缓冲 级的低压差线性稳压器电路。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的 第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管，第一反馈电阻、第二反馈电阻、片外电容、键 合线电阻；其中，基准电流通过N型金属氧化物半导体管输入；输入电源电压分别输入误差 放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器的电源端 和功率P型金属氧化物半导体管的源极，误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入端，第 一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧化物半 导体管的栅极，功率P型金属氧化物半导体管的漏极接第一反馈电阻的上端，第一反馈电 阻的下端接第反馈二电阻的上端和误差放大器的正输入端，第二反馈电阻的下端接地，片 外电容的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口，误差放大器的负输入端输入 参考电压，其中带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置 电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。优选的，所述参考电压为1. 2伏。优选的，所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括第十一 NMOS管、第十二 NMOS管、第三十NMOS管，第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管，第十二 NMOS管， 第十七NMOS管，第八PMOS管，第九PMOS管，第十晶体管；第十二 NMOS管的栅极接N型金 属氧化物半导体管的栅极，漏端分别连接到第十六PMOS管的漏端和第十三NMOS管的源端； 第十一 NMOS管漏源短接，第十一 NMOS管的栅极接第十二 NMOS管的栅极；第十三NMOS管的 栅极接1. 2V的参考电压，第十三NMOS管的漏极接第十四PMOS管PMOS管的漏极；第十四 PMOS管的源极接输入电源电压；第十NMOS管，第八PMOS管，第九PMOS管为第十四PMOS管 提供镜像电流；第十五PMOS管的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS管的漏极；第 十五PMOS管的漏极接第十六PMOS管的源极；小宽长比第十七NMOS管的栅极短接，连接到 第十六PMOS管的漏极。优选的，所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电 路，该自适应频率补偿电路包括第十八NMOS管、第十九NOMS管、第二十PMOS管、功率管、 第三电阻和第一电容；功率管的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻的上端，第二十 PMOS管的源极接输入电源电压，第二十PMOS管的栅极接功率管的栅极；第二十PMOS管的 漏极接第十九PMOS管的漏极，第十九PMOS管栅漏短接，源极接地；第十八PMOS管源极接 地，漏极接第十六PMOS管的漏极，栅极接第十九PMOS管的栅极；第三电阻和第一电容串联， 第三电阻一端接第十五PMOS管的栅极，另一端接输入电源电压。有益效果加入了两级缓冲级，可以使用较低的片外电容(1 μ F)，保证了该低压 差线性稳压器的环路带宽。使用了跨导自举的第二缓冲级并同时引入了动态阻抗调整技 术，使得第二极点随输出极点同步变化，只在需要的时候注入电流，提高了电流利用效率。 该电路具有驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。
图1为本发明的低压差线性稳压器主体电路框图； 图2为本发明的低压差线性稳压器的电路原理图； 图3为本发明的第二缓冲级的电路原理图4为本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路幅频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；
图5为本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路相频特性曲线； 其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；
图6为本发明的低压差线性稳压器在最大驱动电流(IOOmA)与无驱动电流模式之间切 换过程中的时域波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。参见图1 一 6，本发明提供的一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在 于
该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功 率P型金属氧化物半导体管ΡΜ0，第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2、片外电容CO、键合线 电阻CL;其中，基准电流通过N型金属氧化物半导体管MO输入；输入电源电压分别输入误 差放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器的电源 端和功率P型金属氧化物半导体管PMO的源极，误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入 端，第一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧 化物半导体管PMO的 栅极，功率P型金属氧化物半导体管PMO的漏极接第一反馈电阻 Rl的上端，第一反馈电阻Rl的下端接第反馈二电阻R2的上端，第二反馈电阻R2的下端接 地，第二反馈电阻R2的上端接误差放大器的正输入端，片外电容CO的下极板接地，上极板 通过键合线电阻接到输出端口 CL，误差放大器的负输入端输入参考电压，其中带有自适应 频率补偿功能的第二个缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进 行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。所述参考电压为1.2伏。所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括第i^一 NMOS管Ml 1、第十二 NMOS 管M12、第三十NMOS管M13，第十四PMOS管M14、第十五PMOS管M15、第十六PMOS管M16，第 十二 NMOS管M12，第十七NMOS管M17，第八PMOS管M8，第九PMOS管M9，第十晶体管MlO ； 第十二 NMOS管M12的栅极接N型金属氧化物半导体管MO的栅极电流镜，漏端分别连接到 第十六PMOS管M16的漏端和第十三NMOS管M13的源端；第i^一 NMOS管Mll漏源短接，第 i^一 NMOS管Mll的栅极接第十二 NMOS管M12的栅极；第十三NMOS管M13的栅极接1. 2V 的参考电压，第十三NMOS管M13的漏极接第十四PMOS管PMOS管M14的漏极；第十四PMOS 管M14的源极接输入电源电压；第十匪OS管M10，第八PMOS管M8，第九PMOS管M9为第十四 PMOS管M14提供镜像电流；第十五PMOS管M15的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS 管M14的漏极；第十五PMOS管M15的漏极接第十六PMOS管M16的源极；小宽长比第十七 NMOS管M17的栅极短接，连接到第十六PMOS管M16的漏极。所述带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电路，该自适 应频率补偿电路包括第十八NMOS管M18、第十九NOMS管M19、第二十PMOS管M20、功率管 M21、第三电阻R3和第一电容Cl ；功率管21的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻 Rl的上端，第二十PMOS管M20的源极接输入电源电压，第二十PMOS管M20的栅极接功率 管M21的栅极；第二十PMOS管M20的漏极接第十九PMOS管M19的漏极，第十九PMOS管M19栅漏短接，源极接地；第十八PMOS管M18源极接地，漏极接第十六PMOS管M16的漏极，栅极 接第十九PMOS管M19的栅极；第三电阻R3和第一电容Cl串联，第三电阻R3 —端接第十五 PMOS管M15的栅极，另一端接输入电源电压。具体而言，该低压差线性稳压器包含误差放大器、缓冲级1、带有自适应频率补偿 功能的缓冲级2、功率P型金属氧化物半导体管(PM0S管)ΡΜ0、第一反馈电阻R1、第二反馈 电阻R2，输入电源电压为误差放大器、第一缓冲级1、第二缓冲级2、PM0供电，误差放大器的 负输入端接1. 2V参考电压，误差放大器的输出接第一缓冲级的输入，第一缓冲级的输出接 第二缓冲级的输入，第二缓冲级的输出接ΡΜ0，ΡΜ0的源端接输入电源，PMO的漏端即输出端 口接第一电阻Rl的上端，Rl的下端接第二电阻R2的上端，R2的下端接地。R2的上端接误 差放大器的正输入端。片外电容CO的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口。基准电流通过N型金属氧化物半导体管(NMOS管)MO输入，通过电流镜为误差放大 器、第一缓冲级、第二缓冲级提供偏置电流。误差放大器由尾电流源Μ0、差分对NMOS管Ml、 M2，负载管M4、M5组成。第一缓冲级由NMOS管M6，M7组成。M6的栅接M5的漏端，M6的漏 端接输入电源，M6的源端接尾电流源M7的漏端，M7的源端接地。PMOS管M8、M9、M14、M15、 M16、M20和NMOS管M10、M11、M12、M13、M17、M18、M19、M20组成带输出阻抗自动调节的第二 缓冲级。M16的栅作为第二缓冲级的输入端，接第一缓冲级M6的源端，M16的源端作为第二 缓冲级的输出，接功率管M21的栅极。第二缓冲级电路带有自动调节输出阻抗功能。该缓冲级的主体部分由NMOS管 M12、M13，PM0S管M14、M15、M16组成。尾电流源M12的栅接电流镜，漏端分别连接到M16的 漏端和Ml3的源端。NMOS管Mll漏源短接，Mll的栅极接Ml2的栅极。Ml3的栅极接1. 2V 的参考电压，M13的漏极接PMOS管M14的漏极。M14的源极接输入电源电压。NMOS管M10， PMOS管M8、M9为M14提供镜像电流。M15的源端接输入电源电压，栅极接M14的漏极。M15 的漏极接M16的源极。小宽长比NMOS管M17的栅漏短接，连接到M16的漏端。自适应频率 补偿电路由匪OS管M18、M19和PMOS管M20组成。M20的源极接输入电源电压，M20的栅极 接功率管M21的栅极。M20的漏极接M19的漏极，M19栅漏短接，源极接地。M18源极接地， 漏极接M16的漏极，栅极接M19的栅极。电阻R3和电容Cl串联，一端接M15的栅极，另一 端接输入电源电压。其中第二级缓冲电路可根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗 进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。本发明相对于传统的低压差线 性稳压器具有环路带宽大、驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平 稳的特点。下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。图1为本发明的低压差线性稳压器主体电路框图；图2为本发明的低压差线性稳 压器的详细电路原理图。图3的用作第二缓冲级的跨导自举电路也是本发明的一部分。图 4是本发明的低压差线性稳压器在最大和无驱动电流情况下的环路幅频特性曲线；其中实 线为最大电流驱动模式，虚线为最小电流驱动模式；图5为本发明的低压差线性稳压器在 最大和无驱动电流情况下的环路相频特性曲线；其中实线为最大电流驱动模式，虚线为最 小电流驱动模式；从图4和图5的内容可以看出，当输出电流从0变化到IOOmA时，环路主 极点位置从IHz变化到IOKHz。但是次极点的位置也在往高频处移动，始终保证次极点位置在单位增益频率以上。保证了环路稳定性。结合幅频特性曲线和相频特性曲线可以得知， 环路的相位裕度始终处于60度以上。图6为本发明的低压差线性稳压器在最大驱动电流 (IOOmA)与无驱动电流模式之间切换过程中的时域波形；从图上可以看出，在负载突变的最 差情况下，输出电压也相应产生了变化，但是其变化幅度在IOmV以内，对电路产生的影响 基本可以忽略。而且该相应波形过渡平稳，显示了较好的瞬态响应特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和 功率P型金属氧化物半导体管(ΡΜ0)，第一反馈电阻(R1)、第二反馈电阻(R2)、片外电容 (CO)、键合线电阻(CL);其中，基准电流通过N型金属氧化物半导体管(MO)输入；输入电源电压分别输入误差放大器的电源端，第一缓冲器的电源端，带有自适应频率 补偿功能的第二缓冲器的电源端和功率P型金属氧化物半导体管(PMO)的源极，误差放大器的输出端接第一缓冲器的输入端，第一缓冲器的输出端接第二缓冲器的输 入端，第二缓冲器的输出端接功率P型金属氧化物半导体管(PMO)的栅极，功率P型金属氧化物半导体管(PMO)的漏极接第一反馈电阻(Rl)的上端，第一反馈电 阻(Rl)的下端接第反馈二电阻(R2)的上端和误差放大器的正输入端，第二反馈电阻(R2) 的下端接地，片外电容(CO)的下极板接地，上极板通过键合线电阻接到输出端口(CL)，误 差放大器的负输入端输入参考电压，其中带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器根据驱动负载的情况自动调节偏置电流， 从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。
2.根据权利要求1所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于所述参考 电压为1.2伏。
3.根据权利要求1所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于所述带有 自适应频率补偿功能的第二缓冲器包括第^^一 NMOS管(Mil)、第十二 NMOS管(M12)、第三十NMOS管(M13)，第十四PMOS管 (M14)、第十五PMOS管(M15)、第十六PMOS管(M16)，第十二 NMOS管(M12)，第十七NMOS管 (M17)，第八PMOS管(M8)，第九PMOS管(M9)，第十晶体管(MlO)；第十二 NMOS管(M12)的栅极接N型金属氧化物半导体管(MO)的栅极，漏端分别连接 到第十六PMOS管(M16)的漏端和第十三NMOS管(M13)的源端；第i^一 NMOS管(Mil)漏源短接，第i^一 NMOS管(Mil)的栅极接第十二 NMOS管(M12) 的栅极；第十三NMOS管(M13)的栅极接1.2V的参考电压，第十三NMOS管(M13)的漏极接 第十四PMOS管PMOS管(M14)的漏极；第十四PMOS管(M14)的源极接输入电源电压；第十NMOS管(MlO)，第八PMOS管(M8)，第九PMOS管(M9)为第十四PMOS管(Ml4)提供 镜像电流；第十五PMOS管(M15)的源端接输入电源电压，栅极接第十四PMOS管(M14)的漏 极；第十五PMOS管(M15)的漏极接第十六PMOS管(M16)的源极；小宽长比第十七NMOS管 (M17)的栅极短接，连接到第十六PMOS管(M16)的漏极。
4.根据权利要求3所述的自适应频率补偿低压差线性稳压器，其特征在于所述带有 自适应频率补偿功能的第二缓冲器还包括自适应频率补偿电路，该自适应频率补偿电路包 括第十八NMOS管(M18)、第十九NOMS管(M19)、第二十PMOS管(M20)、功率管(M21)、第三电 阻(R3)和第一电容(Cl)；功率管(21)的源极接输入电源电压，漏极接第一反馈电阻(Rl)的上端，第二十PMOS管 (M20)的源极接输入电源电压，第二十PMOS管(M20)的栅极接功率管(M21)的栅极；第二十 PMOS管(M20)的漏极接第十九PMOS管(M19)的漏极，第十九PMOS管(M19)栅漏短接，源极 接地；第十八PMOS管(M18)源极接地，漏极接第十六PMOS管(M16)的漏极，栅极接第十九PMOS管(M19)的栅极；第三电阻(R3)和第一电容(Cl)串联，第三电阻(R3)—端接第十五 PMOS管(M15)的栅极，另一端接输入电源电压。
全文摘要
本发明涉及一种自适应频率补偿低压差线性稳压器，该稳压器包括误差放大器、第一缓冲器、带有自适应频率补偿功能的第二缓冲器和功率P型金属氧化物半导体管(PM0)，第一反馈电阻(R1)、第二反馈电阻(R2)、片外电容(C0)、键合线电阻(CL)。其中第二级缓冲电路可根据驱动负载的情况自动调节偏置电流，从而对输出阻抗进行调整，以实现对该低压差线性稳压器的动态频率补偿。本发明相对于传统的低压差线性稳压器具有环路带宽大、驱动适应性强、在不同驱动电流模式间切换过程中，输出波形平稳的特点。
文档编号G05F1/56GK102063146SQ201110023659
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者吴建辉, 张理振, 张萌, 时龙兴, 李红, 王子轩, 白春风, 陈超 申请人:东南大学