专利名称：一种基于动态零极点跟踪技术的ldo的制作方法
技术领域：
本发明属于电源管理领域，具体涉及一种低压差线性稳压器(LDO，Low DropoutRegulator)的设计。
背景技术：
电源管理模块是芯片的基本单元电路，其设计在手持和便携设备领域尤为重要。 无片外电容的低压差线性稳压器，是现在流行的典型线性稳压器结构。随着当前便携式设备的广泛使用，对LDO的性能也提出了新要求更低的功耗，即更小的压差和更低的静态电流；更好的瞬态响应，即更优的补偿方式和拓扑结构。环路稳定性是LDO的关键指标，传统的LDO采用输出电容上的ESR(Equivalent SeriesResistance)补偿的方式。由于ESR容易受环境，如温度，工艺等的影响，变化较大， 稳定提供的输出电流被限制在很小的范围内而显得不够优化。此外ESR的存在会在瞬时负载变化的时候恶化负载瞬时调整率(load transient regulation)。现在出现了多种新的拓扑和补偿方式K. N. Leimg提出的极点分裂技术和零极点抵消技术；Man提出的基于FVF的STC技术；Rincon-Mora提出的基于密勒倍增的零极点抵消技术以及K. N. Leung的阻尼因子校正技术(DFC)。但是它们都有一定的局限性=Leimg 提出的零极点抵消技术由工作在线性区的采样管跟踪工作在饱和区的功率管获取负载信息，跟踪负载不够精确；STC技术由于拓扑结构限制环路增益不可能很高，输出电压静态精度受限；Rincon-Mora提出的密勒倍增技术的电路实现由于其特殊工艺要求限制了在标准 CMOS工艺中的应用；基于DFC技术的LDO补偿架构存在环路复杂性和较大静态电流的缺点ο
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的LDO环路稳定性的问题，提出了一种基于动态零极点跟踪技术的LD0。本发明的技术方案是一种基于动态零极点跟踪技术的LD0，包括误差放大器，缓冲器，摆率增强电路，第一电容、第二电容和可变电阻，所述误差放大器的输出端与缓冲器的输入端相连接，缓冲器的输出端与摆率增强电路的输出端相连接，所述第一电容的一端接误差放大器输出端，另一端与可变电阻的一端相连接，所述第二电容的一端与误差放大器相连接，另一端与可变电阻的另一端相连接，并作为LDO的输出端。所述误差放大器包括PMOS管Ml、M2、Mbl、M7，M8, NMOS管M3，M4，M5，M6管，其中 Mbl作为尾电流源；Ml，M2作为输入对管；M7 二极管连接；M8镜像M7的电流并作为负载P 管；M3，M4 二极管连接作为第一级负载；M5镜像M3的电流，M6镜像M4的电流，且M6管作为负载N管；M5与M7漏极相连；M6与M8漏极相连作为误差放大器输出端。所述缓冲器包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作为偏置电流管，M9作为源随器，Mb2 的漏极与M9的源极相连接，并作为缓冲器的输出端；M9的栅极为缓冲器的输入端，漏极接地。所述摆率增强电路包括PMOS管Ms、M16、M15,匪OS管M13、M14，其中，M16漏极和 Ms的栅极接缓冲器的输出端，源极接LDO的输入电压，漏极接M14的漏极；M14 二极管连接； M13镜像M14的电流，漏极接M15的漏极。所述可变电阻由NMOS管M12、PM0S管M11、M10组成，其中，M12镜像所述摆率增强电路中NMOS管M14的电流；PMOS管MlO栅极接NMOS管M12的漏极；PMOS管Mll 二极管连接，漏极接NMOS管M12的漏极，PMOS管Mll源极和MlO的源极相连接，并作为LDO的输出端。本发明的有益效果本发明的基于动态零极点跟踪技术的LD0，通过第一电容和可变电阻组成补偿网络，作为系统的动态零点；通过采用电流倍增模式的第二电容补偿 LDO环路的相位裕度，从而提高了 LDO环路稳定性。
图1为本发明的基于动态零极点跟踪技术的LDO系统框图。图2为本发明的基于动态零极点跟踪技术的LDO的具体电路示意图。图3为本发明电流模式电容倍增示意图，其中，图(a)为电路结构图，(b)为等效示意图。图4为本发明实施例中相位超前补偿网络等效架构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。本发明LDO补偿结构思想如下误差放大器采用单极对称结构的0ΤΑ，缓冲器用 PMOS源极跟随器实现，增加对PMOS调整管的驱动能力，频率补偿采用miller电容和动态零点(可变MOS电阻+固定电容)相结合的方法。为提高LDO在负载突变时的瞬态响应，增加了摆率增强电路。图1是基于动态零极点跟踪技术的LDO的系统方框图，包括误差放大器kin Mage，缓冲器Buffer，摆率增强电路SRE，第一电容C。、第二电容(；和可变电阻R。，所述误差放大器kin Stage的输出端与缓冲器Buffer的输入端相连接，缓冲器Buffer的输出端与摆率增强电路SRE的输出端相连接，所述第一电容C。的一端接误差放大器kin Stage输出端，另一端与可变电阻R。的一端相连接，所述第二电容Cm的一端与误差放大器kin Stage 相连接，另一端与可变电阻R。的另一端相连接，并作为LDO的输出端。图2为所述的LDO的具体电路示意图。误差放大器kin Stage包括PMOS管Ml、 皿2、]\&1、]\17，]\18，匪05管10，]\14，]\15，]\16，其中Mbl作为尾电流源；M1，M2作为输入对管；M7 二极管连接；M8镜像M7的电流并作为负载P管；M3，M4均二极管连接作为第一级负载；M5镜像M3的电流，M6镜像M4的电流，且M6管作为负载N管；M5与M7漏极相连；M6与M8漏极相连作为输出端。缓冲器Buffer包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作为偏置电流管，M9作为源随器， Mb2的漏极与M9的源极相连接，并作为缓冲器Buffer的输出端；M9的栅极为缓冲器Buffer 的输入端，漏极接地。
摆率增强电路SRE包括PMOS管Ms、M16、M15，NMOS管M13、M14，其中，M16漏极和 Ms的栅极一起接Buffer的输出端，源极接LDO的输入电压，漏极接M14的漏极；M14 二级管连接；M13镜像M14的电流，漏极接二极管连接的M15的漏极。M16管镜像M15的电流。可变电阻I 。由NMOS管M12、PM0S管M11、M10组成，其中，M12镜像所述摆率增强电路中NMOS管M14的电流；PMOS管Mll 二极管连接，漏极接NMOS管M12的漏极，PMOS管Mll 源极和MlO的源极相连接，并作为LDO的输出端；PMOS管MlO栅极接NMOS管M12的漏极。这里，二极管连接指的是MOS管的栅极与漏极直接连接在一起。本发明利用的电流模式电容倍增示意图如图3所示。图(a)为电路结构图，Vj 的小信号电压变化在第一电容C。上的电流为VnC。S，通过电流镜的低阻抗点(l/gm)收集流经电容的小信号电流并比例镜像放大，返回输入端vn。图(b)为等效示意图，等效电容C^1 =(1+Kx)c。，进而实现了电容的密勒倍增。图1中，第二电容Cm作为电流模式的密勒倍增电容，I 。是工作在线性区、包含负载信息的MOS电阻。第一电容C。与可变电阻R。跨接在EA增益级的输出与功率管输出，产生动态零点跟踪补偿输出极点。Buffer隔离大电容和大电阻，并起摆率增强作用。Cf与反馈电阻I fl，Rf2组成高通滤波器，产生一对零极对，实现相位超前补偿从而改善环路稳定性。摆率增强电路SRE可以根据负载电流情况，改变对功率管栅电容Cp的瞬时充电电流。由图1可知，LDO的稳态输出电压
Rn + Rf7Vout = f ‘公式⑴
Kfi系统环路传输函数
…、H, mi + siz^a + s/z,) _眷‘公式⑵公式O)中，低频环路增益
Rf、H1(O) =Avgmp[rop //(Rfl +Rf2)//Rl] fl 公式⑶
Kfl +Kf2零极点分别为
P,=
(KXCm + Cc mprop-^oeq h 今.’ Ps= 公式⑷
7 1 _upCm(W/LWgs-Vtp) _upCox(W/L\ II0K1K2^_ ^ J~广"j"r、公式(5) Uc Cc Cc \upcox(wil)2
7 71Z2=Zf= ^7^公式(6)其中，Av为误差放大器的直流增益，gmp为调整管Mp的跨导，rop为调整管Mp的导通电阻，Kx为M3与M5的镜像比例，Sllb为Mb2的跨导，Roeq为误差放大器的等效输出电阻， μ p为空穴的迁移率，C。x为单位面积的栅氧化层电容，W为栅的宽度，L为栅的长度，Vgs为栅源两极之间的电压，Vtp为PMOS管的阈值电压。公式(5)中乙为动态零点，用来跟踪补偿输出动态极点P3，其中K1，K2为负载电流采样网络的采样比例Zr为相位超前补偿网络产生的增益带宽乘积(GBW， Gain-Bandwidthproduct)之内的零点，用来改善环路相位裕度。对应的Pf在GBW之外，上面未予给出，具体分析将在下面给出。由此可知该LDO为单极点系统，具有很好的稳定性。
图4相位超前补偿网络等效架构图，电容Cf与反馈网络电阻I fl，组成高通滤波网络，从而改善系统稳定性，并能提高瞬态响应和PSRR，减小输出噪声。其传输函数表达式如下
权利要求
1.一种基于动态零极点跟踪技术的LD0，包括误差放大器，缓冲器和摆率增强电路，其特征在于，还包括第一电容、第二电容和可变电阻，所述误差放大器的输出端与缓冲器的输入端相连接，缓冲器的输出端与摆率增强电路的输出端相连接，所述第一电容的一端接误差放大器输出端，另一端与可变电阻的一端相连接，所述第二电容的一端与误差放大器相连接，另一端与可变电阻的另一端相连接，并作为LDO的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于动态零极点跟踪技术的LD0，其特征在于，所述误差放大 ^MUM2,MbUM7,M8, NMOS ^Μ3,Μ4,Μ5,Μ6Ρ 管，其中 Mbl 作为尾电流源；Μ1，Μ2作为输入对管；Μ7 二极管连接；Μ8镜像Μ7的电流并作为负载P管；Μ3，Μ4均二极管连接作为第一级负载；Μ5镜像Μ3的电流，Μ6镜像Μ4的电流，且Μ6管作为负载N管；Μ5与Μ7漏极相连；Μ6与Μ8漏极相连作为所述误差放大器的输出端。
3.根据权利要求1所述的基于动态零极点跟踪技术的LD0，其特征在于，所述缓冲器包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作为偏置电流管，M9作为源随器，Mb2的漏极与M9的源极相连接，并作为缓冲器的输出端；M9的栅极为缓冲器的输入端，漏极接地。
4.根据权利要求1所述的基于动态零极点跟踪技术的LD0，其特征在于，所述摆率增强电路包括PMOS管Ms、M16、M15，NMOS管M13、M14，其中，M16漏极和Ms的栅极接缓冲器的输出端，源极接LDO的输入电压，漏极接M14的漏极；M14 二极管连接；M13镜像M14的电流，漏极接M15的漏极。
5.根据权利要求4所述的基于动态零极点跟踪技术的LD0，其特征在于，所述可变电阻由NMOS管M12、PMOS管Mil、MlO组成，其中，M12镜像所述摆率增强电路中NMOS管M14的电流；PMOS管MlO栅极接NMOS管M12的漏极；PMOS管Mll 二极管连接，漏极接NMOS管M12 的漏极，PMOS管Mll源极和MlO的源极相连接，并作为所述LDO的输出端。
全文摘要
本发明属于电源管理领域，公开了一种基于动态零极点跟踪技术的LDO。本发明的LDO是为解决现有的LDO环路稳定性的问题而提出的，具体包括误差放大器，缓冲器和摆率增强电路，其特征在于，还包括第一电容、第二电容和可变电阻，所述第一电容的一端接误差放大器输出端，另一端与可变电阻的一端相连接，所述第二电容的一端与误差放大器相连接，另一端与可变电阻的另一端相连接，并作为LDO的输出端。本发明通过第一电容和可变电阻组成补偿网络，作为系统的动态零点；通过采用电流倍增模式的第二电容补偿LDO环路的相位裕度，进而提高LDO环路的稳定性。
文档编号G05F1/56GK102541134SQ20111012092
公开日2012年7月4日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者周泽坤, 张波, 张雨河, 明鑫, 石跃, 胡志明 申请人:电子科技大学