本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及cmos模拟集成电路设计领域，具体地，涉及一种无片外电容的低压差线性稳压器(owdropoutregulator，简称ldo)电路设计。
背景技术：
随着集成电路技术的发展，芯片级系统(systemonchip，简称soc)获得了广泛应用。soc芯片片内通常包括模拟模块、数字模块以及射频模块。本领域技术人员清楚，各个模块间会通过电源串扰影响整体芯片的性能，为保证芯片的低功耗和高性能，soc片内电源管理愈发受到重视。
ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器)在cmos集成电路尤其是低功耗电路设计中应用广泛，即ldo由于具有低功耗、低纹波和低噪声的优点，在soc芯片电源管理模块中内应用广泛。
而普通的ldo在重载情况下会使得误差放大模块的输出极点和主极点相距太近，从而容易导致电路不稳定。通常情况下的解决方案是需要外接片外电容，用于实现频率补偿和输出滤波，由于soc芯片引脚数有限，因此，不需要片外电容的ldo更适合soc芯片使用。
然而，现有技术中的无片外电容ldo采用pmos晶体管做输出调整管，存在电源抑制比较差的缺点，不适用于高质量soc芯片电源管理模块中。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的技术缺陷，本专利提供一种无片外电容ldo电路。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无片外电容ldo电路，其包括：
误差放大模块，其具有一个正向输入端、一个反向输入端和输出端，所述正向输入端与参考电压信号vref相连；
频率补偿模块，其输入端与所述误差放大模块的输出端相连；用于保证所述无片外电容ldo反馈环路的稳定性；
高电压控制模块，与所述频率补偿模块的输出端相连；
电压反馈输出模块，分别与所述误差放大模块、所述频率补偿模块和所述高电压控制模块相连，其包括nmos晶体管m14、依次串联的第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3，所述nmos晶体管m14即为所述无片外电容ldo的调整管，用于实现ldo电压输出及反馈控制；其中，所述高电压控制模块的输出端与所述nmos晶体管m14的栅极相连，用于产生和控制ldo调整管的栅极电压；所述mos晶体管m1的漏极和第一反馈电阻r2的一端相连，连接点是所述无片外电容ldo电路的输出端；与所述mos晶体管m1晶体管相连的第一反馈电阻的另一端与所述第二反馈电阻r3的一端和所述误差放大器的反向输入端相连。
进一步，所述的误差放大模块由pmos晶体管m1、pmos晶体管m2、功率pnmos晶体管m3、nmos晶体管m4和nmos晶体管m5构成；pmos晶体管m1的栅极与参考电压vref相连，pmos晶体管m2的栅极与反馈电压vfb相连，所述pmos晶体管m1、pmos晶体管m2的源极与pmos晶体管m3的漏极相互连接；所述pmos晶体管m3的栅极与偏置电压vb1相连，所述pmos晶体管m3的源极与电源正极vdd相连；所述pmos晶体管m1和pmos晶体管m2的漏极分别与nmos晶体管m4和nmos晶体管m5的漏极相连接；所述nmos晶体管m4的漏极与栅极相连，所述nmos晶体管m4和m5的源极与电源负极vss相连。
进一步，所述的频率补偿模块由pmos管m6和nmos管m7及电阻r1构成；所述pmos管m6的栅极与偏置电压vb1相连，所述pmos管m6的源极与电源正极vdd相连，所述pmos管m6的漏极与电阻r1的一端、nmos管m7的漏极相互连接与节点n2；所述电阻r1的另一端与pmos管m2的漏极及nmos管m7的栅极相互连接于节点n1，所述nmos管m7的源极与电源负极vss相连。
进一步，所述的高电压控制模块由电荷泵、电阻r3、nmos晶体管m8、nmos晶体管m9、nmos晶体管m10、pmos晶体管m11、pmos晶体管m12及nmos晶体管m13构成；所述nmos晶体管m8的栅极与节点n2相连接，所述nmos晶体管m8的源极接电源负极vss，所述nmos晶体管m8的漏极与nmos晶体管m9的源极相连；所述nmos晶体管m9的漏极与nmos晶体管m10的源极、pmos晶体管m11的漏极相互连接；所述nmos晶体管m10的漏极与电阻r3的一端相连于节点n3，所述nmos晶体管m10栅极与偏置电压vb2相连；所述电阻r3的另一端与电荷泵的输出端相连；所述pmos晶体管m11与pmos晶体管m12的栅极相互连接并且与偏置电压vb3相连，所述pmos晶体管m11，pmos晶体管m12的源极均与电源正极vdd相连；所述pmos管m12的漏极与nmos晶体管m9的栅极、nmos管m13的栅极和漏极相互连接；所述nmos晶体管m13的源极与电源负极vss相连。
进一步，所述的电荷泵用于产生输出一个高于电源的高电压。
进一步，所述nmos晶体管m14的栅极与节点n3相连，所述nmos晶体管m14的漏极与电源正极vdd相连，所述nmos晶体管m14的源极与所述第二反馈电阻r3的一端相连并且该连接点为ldo的输出端vout；所述第二反馈电阻r3的另一端与第一反馈电阻r2的一端相连作为反馈电压节点vfb与pmos晶体管m2的栅极相互连接，所述第一反馈电阻r2的另一端与电源负极vss相连。
进一步，所述的第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3确保所述的无片外电容的ldo电路的输出信号与反馈电压信号的具有线性关系。
进一步，所述的误差放大模块为单级放大结构或多级放大结构。
进一步，所述的第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3为两个单独的电阻。
进一步，所述的第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3分别由两组多个电阻组成。
从上述技术方案可以看出，本发明所采用的技术方案一种无片外电容ldo电路是通过对输出电压进行检测，将输出电压的变化通过电流迅速反馈到电路中，快速改变功率管电流，从而使得输出电压很快恢复稳定。具体地，本发明中的电压反馈输出模块分别与误差放大模块、频率补偿模块和高电压控制模块相连，其包括的nmos晶体管m14即为无片外电容ldo的调整管，用于实现ldo电压输出及反馈控制。本发明可用于soc芯片内，不需要外接片外电容、电源抑制比高、瞬态响应快、电路架构简单稳定且易于广泛推广使用。
附图说明
图1所示为本发明无片外电容ldo的一较佳实施例的电路示意图
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，图1所示为本发明无片外电容ldo电路的一较佳实施例的电路示意图。如图所示，在本发明的实施例中，该无片外电容ldo电路包括误差放大器模块(如虚线框1所示)、频率补偿模块(如虚线框2所示)、高电压控制模块(如虚线框3所示)和电压反馈输出模块(如虚线框4所示)。
其中，误差放大器1用于实现输入参考电压与反馈电压的误差放大；频率补偿模块2用于保证ldo反馈环路的稳定性；高电压控制模块3用于产生和控制ldo调整管的栅极电压；电压反馈输出模块4用于实现ldo电压输出及反馈控制。
如图1所示，误差放大模块1具有一个正向输入端、一个反向输入端和输出端，正向输入端与参考电压信号vref相连；频率补偿模块2的输入端与误差放大模块的输出端相连；用于保证所述无片外电容ldo反馈环路的稳定性；高电压控制模块3与频率补偿模块2的输出端相连；电压反馈输出模块4分别与误差放大模块1、频率补偿模块2和高电压控制模块3相连。
在本发明的实施例中，高电压控制模块3包括nmos晶体管m14、依次串联的第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3，所述nmos晶体管m14即为所述无片外电容ldo的调整管，用于实现ldo电压输出及反馈控制；其中，所述高电压控制模块的输出端与nmos晶体管m14的栅极相连，用于产生和控制ldo调整管的栅极电压；mos晶体管m1的漏极和第一反馈电阻r2的一端相连，连接点是无片外电容ldo电路的输出端；与mos晶体管m1晶体管相连的第一反馈电阻的另一端与所述第二反馈电阻r3的一端和误差放大器的反向输入端相连。
需要说明的是，在本发明的实施例中，高电压控制模块3中的mos管必须是nmos晶体管，即nmos晶体管m14，本发明就是根据nmos晶体管m14的特性，配套设计了误差放大模块1、频率补偿模块2和高电压控制模块3，以及电压反馈输出模块4同误差放大模块1、频率补偿模块2和高电压控制模块3的具体连接关系。
在本发明的实施例中，电路电源正极为vdd,电源负极为vss。
误差放大器模块1可以由pmos晶体管m1、pmos晶体管m2、功率pnmos晶体管m3、nmos晶体管m4和nmos晶体管m5构成；pmos晶体管m1的栅极与参考电压vref相连，pmos晶体管m2的栅极与反馈电压vfb相连，pmos晶体管m1、pmos晶体管m2的源极与pmos晶体管m3的漏极相互连接；pmos晶体管m3的栅极与偏置电压vb1相连，pmos晶体管m3的源极与电源正极vdd相连；pmos晶体管m1和pmos晶体管m2的漏极分别与nmos晶体管m4和nmos晶体管m5的漏极相连接；nmos晶体管m4的漏极与栅极相连，nmos晶体管m4和m5的源极与电源负极vss相连。
需要说明的是，误差放大模块1可以为任意变形结构类型的双输入单输出放大器，误差放大模块1也可以为单级放大结构或多级放大结构。
在本发明的一个较佳实施例中，频率补偿模块2可以由pmos管m6和nmos管m7及电阻r1构成；pmos管m6的栅极与偏置电压vb1相连，pmos管m6的源极与电源正极vdd相连，pmos管m6的漏极与电阻r1的一端、nmos管m7的漏极相互连接与节点n2；电阻r1的另一端与pmos管m2的漏极及nmos管m7的栅极相互连接于节点n1，nmos管m7的源极与电源负极vss相连。
如图1所示，高电压控制模块由电荷泵、电阻r3、nmos晶体管m8、nmos晶体管m9、nmos晶体管m10、pmos晶体管m11、pmos管m12及nmos晶体管m13构成；nmos晶体管m8的栅极与节点n2相连接，nmos晶体管m8的源极接电源负极vss，nmos晶体管m8的漏极与nmos晶体管m9的源极相连；nmos晶体管m9的漏极与nmos晶体管m10的源极、pmos晶体管m11的漏极相互连接；nmos晶体管m10的漏极与电阻r3的一端相连于节点n3，nmos晶体管m10栅极与偏置电压vb2相连；电阻r3的另一端与电荷泵的输出端相连；pmos晶体管m11与pmos晶体管m12的栅极相互连接并且与偏置电压vb3相连，pmos晶体管m11，pmos晶体管m12的源极均与电源正极vdd相连；pmos管m12的漏极与nmos晶体管m9的栅极、nmos管m13的栅极和漏极相互连接；nmos晶体管m13的源极与电源负极vss相连。
在本发明的实施例中，nmos晶体管m14的栅极与节点n3相连，nmos晶体管m14的漏极与电源正极vdd相连，nmos晶体管m14的源极与所述第二反馈电阻r3的一端相连并且该连接点为ldo的输出端vout；第二反馈电阻r3的另一端与第一反馈电阻r2的一端相连作为反馈电压节点vfb与pmos晶体管m2的栅极相互连接，所述第一反馈电阻r2的另一端与电源负极vss相连。
本发明实施例的工作原理分析如下：
vref为参考电压源，ldo的输出电压为vout，反馈信号vfb和无片外电容的ldo电路的输出信号vout始终满足以下关系：
其中：第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3为固定阻值的电阻，则无片外电容的低压差线性稳压器电路的输出信号vout和vfb保持正向线性关系。在本发明的实施例之中，第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3可以为两个单独的电阻，或第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3可以分别由两组多个电阻组成，即第一反馈电阻r2和第二反馈电阻r3确保无片外电容的ldo电路的输出信号与反馈输出信号的具有线性关系。通过调整电阻r2，r3的阻值，即可调整ldo的最终输出电压vout。
当负载电流突然由大变小时，反馈电压vfb突然升高，使得pmos晶体管m2漏电流降低，节点n1电压降低，节点n2电压迅速升高，nmos晶体管m5流入更多电流。nmos晶体管m8的漏极电压迅速降低，相应节点n3电压迅速降低，使得输出电压vout降低。
当负载电流突然由小变大时，在该相反的调整调节过程中，频率补偿模块2与电荷泵的使用大大提高了该ldo的瞬态响应速度。
综上所述，本发明的实施例中的技术方案中，电压反馈输出模块分别与误差放大模块、频率补偿模块和高电压控制模块相连，其包括的nmos晶体管m14即为无片外电容ldo的调整管，用于实现ldo电压输出及反馈控制。本发明可用于soc芯片内，不需要外接片外电容、电源抑制比高、瞬态响应快、电路架构简单、稳定且易于广泛推广使用。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。