一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器的制作方法

本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器。

背景技术：

低压差线性稳压器因其结构简单、体积小、外围元件少、低功耗、输出纹波小等特点，在soc设计中有着广泛的应用，为不同的功能模块供电。如图1所示，典型的低压差稳压器一般由基准电压电路、误差放大器、串联调整管mpo和电阻r1、r2组成的反馈网络构成，其中连接稳压器输出端的cl、il分别表示稳压器输出端负载电容和负载电流。

低压差线性稳压器通常作为供电电源使用，其负载电流有较大的变化范围，导致输出端的阻抗和极点变化较大，传统的rc密勒补偿难以在零负载电流至满负载电流范围内均保持环路稳定。

所以，如何设计一种零负载电流至满负载电流范围内均保持环路稳定的低压差线性稳压器，成为我们当前要解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述问题。

为此，本发明提出一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，解决低压差线性稳压器在零负载电流至满负载电流范围内的环路稳定性问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供如下技术方案：一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，包括基准电压电路、误差放大器、串联调整管mpo以及第一电阻r1和第二电阻r2组成的反馈网络，所述误差放大器的反相输入端连接基准电压电路，其同相输入端连接第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，其输出端连接串联调整管mpo的栅端，所述串联调整管mpo的源端连接供电电源vin，所述串联调整管mpo的漏端连接稳压器输出端vout，所述第一电阻r1的另一端与串联调整管mpo的漏端连接，所述第二电阻r2的另一端接地；

还包括负载电流感应电路、自适应补偿控制电路、与串联调整管mp0漏端连接的调零电阻rz以及与串联调整管mp0栅端连接的补偿电容cc，所述调零电阻rz与补偿电容cc串联，所述负载电流感应电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述自适应补偿控制电路的输入端与负载电流感应电路的输出端连接，所述自适应补偿控制电路的输出端连接调零电阻rz。

在本发明的另一个方面，上述一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器中，所述第一电阻r1和第二电阻r2组成的反馈网络由作为输出负载的nmos管mn0替代。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述调零电阻rz采用第一pmos管mp1，所述补偿电容cc采用第二pmos管mp2，所述第一pmos管mp1的源端和衬底共同连接到串联调整管mpo的漏端，其栅端连接自适应补偿控制电路和负载电流感应电路，所述第二pmos管mp2的漏端、源端和衬底相连且与第一pmos管mp1的漏端连接，其栅端连接误差放大器的输出端和负载电流感应电路。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述负载电流感应电路包括构成电流镜的第一nmos管mn1、第二nmos管mn2，第三pmos管mp3，所述第三pmos管mp3的栅端与串联调整管mp0的栅端连接，所述第三pmos管mp3的源端连接供电电源，其漏端与所述第一nmos管mn1的漏端连接，所述第一nmos管mn1的栅端与漏端相连并与所述第二nmos管mn2的栅端的连接，所述第一nmos管mn1、第二nmos管mn2的源端均接地。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述自适应补偿控制电路包括第四pmos管mp4、第五pmos管mp5和第三nmos管mn3，所述第四pmos管mp4的源端接供电电源，所述第四pmos管mp4的栅端和漏端相连并与所述第五pmos管mp5的源端连接，所述第五pmos管mp5的栅端与漏端相连并与所述第三nmos管mn3的漏端连接，所述第五pmos管mp5的栅端、所述第二nmos管mn2的漏端和所述第一pmos管mp1的栅端连接，所述第三nmos管mn3的源端接地。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述自适应补偿控制电路包括第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第三nmos管mn3以及电阻r0，所述第四pmos管mp4的漏端和栅端相连并与第三nmos管mn3的漏端连接，所述第五pmos管mp5的栅端与第四pmos管mp4的栅端连接，其漏端分别与电阻r0的一端、第二nmos管mn2的漏端和所述第一pmos管mp1的栅端连接，所述电阻r0的另一端接地，其中，第四pmos管mp4、第五pmos管mp5的源端接供电电源，第三nmos管mn3的源端接地。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述误差放大器包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第八nmos管mn8、第八pmos管mp8、第九nmos管mn9和第九pmos管mp9，所述第六nmos管mn6的栅端连接基准电压，其源端和所述第七nmos管mn7的源端共同与第五nmos管mn5的漏端连接，所述第六pmos管mp6的栅端与漏端相连且与第六nmos管mn6的漏端连接，所述第七pmos管mp7的栅端与漏端相连且与第七nmos管mn7的漏端连接，所述第七nmos管mn7的栅端作为误差放大器的同相输入端，所述第八nmos管mn8的栅端与漏端相连并与第八pmos管mp8的漏端连接，所述第八pmos管mp8的栅端与第六pmos管mp6的栅端连接，所述第九nmos管mn9的栅端与第八nmos管mn8的栅端连接，所述第九pmos管mp9的栅端与第七pmos管mp7的栅端连接，其漏端与第九nmos管mn9的漏端连接并作为误差放大器的输出端，其中，所述第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8和第九pmos管mp9源端均连接供电电源，所述第五nmos管mn5、第八nmos管mn8和第九nmos管mn9源端均接地。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，还包括偏置电路，所述偏置电路包括偏置电流源ib、第四nmos管mn4，所述偏置电流源ib的输入端接供电电源，其输出端接第四nmos管mn4的漏端，所述第四nmos管mn4的漏端与栅端相连，其源端接地，所述第三nmos管mn3的栅端、所述第四nmos管mn4的栅端及所述第五nmos管mn5的栅端相连接。

可选的，对于所述的一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，所述nmos管mn0的栅端、所述第三nmos管mn3的栅端、所述第四nmos管mn4的栅端及所述第五nmos管mn5的栅端相连接，所述nmos管mn0的源端接地，其漏端连接到稳压器输出端vout。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：负载电流感应电路采样负载电流，自适应补偿控制电路使用采样电流产生控制调零电阻大小的电压，调零电阻值动态跟随负载电流变化，从而实现相关零点跟随输出极点的变化，获得了自适应的频率补偿，提高了稳压器的环路稳定性；因此本发明在不增加较大静态功耗和补偿电容的情况下，实现了低压差线性稳压器在宽负载电流范围内均保持环路稳定。

附图说明

图1为典型的低压差线性稳压器示意图；

图2为本发明的低压差线性稳压器原理图；

图3为本发明的第一实施例电路图；

图4为本发明的第二实施例电路图；

图5为本发明的第三实施例电路图；

图6为本发明的第四实施例电路图；

图7为本发明第四实施例的频率响应示意图；

图8为本发明第四实施例的相位裕度及增益裕度随负载电流变化示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中显示。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

【实施例1】

本发明提出一种基于自适应零点补偿的低压差线性稳压器，如图2所示，包括基准电压电路、误差放大器、串联调整管mpo以及第一电阻r1和第二电阻r2组成的反馈网络，所述误差放大器的反相输入端连接基准电压电路，其同相输入端连接第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，其输出端连接串联调整管mpo的栅端，所述串联调整管mpo的源端连接供电电源vin，所述串联调整管mpo的漏端连接稳压器输出端vout，所述第一电阻r1的另一端与串联调整管mpo的漏端连接，所述第二电阻r2的另一端接地。

请继续参考图2，本发明所述的低压差线性稳压器，还包括负载电流感应电路、自适应补偿控制电路、作为弥勒补偿的调零电阻rz以及补偿电容cc，所述调零电阻rz与补偿电容cc串联，所述调零电阻rz与所述串联调整管mp0漏端连接，所述补偿电容cc与串联调整管mp0栅端连接，所述负载电流感应电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述自适应补偿控制电路的输入端与负载电流感应电路的输出端连接，所述自适应补偿控制电路的输出端连接调零电阻rz。

如图3所示，本发明实施例中，所述调零电阻rz采用第一pmos管mp1，所述补偿电容cc采用第二pmos管mp2，所述第一pmos管mp1的源端和衬底共同连接到串联调整管mpo的漏端，其栅端连接自适应补偿控制电路和负载电流感应电路，所述第二pmos管mp2的漏端、源端和衬底相连且与第一pmos管mp1的漏端连接，其栅端连接误差放大器的输出端和负载电流感应电路。

进一步的，所述负载电流感应电路包括构成电流镜的第一nmos管mn1、第二nmos管mn2，第三pmos管mp3，所述第三pmos管mp3的栅端与串联调整管mp0的栅端连接，所述第三pmos管mp3的源端连接供电电源，其漏端与所述第一nmos管mn1的漏端连接，所述第一nmos管mn1的栅端与漏端相连并与所述第二nmos管mn2的栅端的连接，所述第一nmos管mn1、第二nmos管mn2的源端均接地。

优选的，所述自适应补偿控制电路包括第四pmos管mp4、第五pmos管mp5和第三nmos管mn3，所述第四pmos管mp4的源端接供电电源，所述第四pmos管mp4的栅端和漏端相连并与所述第五pmos管mp5的源端连接，所述第五pmos管mp5的栅端与漏端相连并与所述第三nmos管mn3的漏端连接，所述第五pmos管mp5的栅端、所述第二nmos管mn2的漏端和所述第一pmos管mp1的栅端连接，所述第三nmos管mn3的源端接地。

进一步的，所述误差放大器包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第八nmos管mn8、第八pmos管mp8、第九nmos管mn9和第九pmos管mp9，所述第六nmos管mn6的栅端连接基准电压，其源端和所述第七nmos管mn7的源端共同与第五nmos管mn5的漏端连接，所述第六pmos管mp6的栅端与漏端相连且与第六nmos管mn6的漏端连接，所述第七pmos管mp7的栅端与漏端相连且与第七nmos管mn7的漏端连接，所述第七nmos管mn7的栅端作为误差放大器的同相输入端，所述第八nmos管mn8的栅端与漏端相连并与第八pmos管mp8的漏端连接，所述第八pmos管mp8的栅端与第六pmos管mp6的栅端连接，所述第九nmos管mn9的栅端与第八nmos管mn8的栅端连接，所述第九pmos管mp9的栅端与第七pmos管mp7的栅端连接，其漏端与第九nmos管mn9的漏端连接并作为误差放大器的输出端，其中，所述第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8和第九pmos管mp9源端均连接供电电源，所述第五nmos管mn5、第八nmos管mn8和第九nmos管mn9源端均接地。

在本发明实施例中，第一电阻r1和第二电阻r2组成反馈网络，所述低压差线性稳压器还包括偏置电路，所述偏置电路包括偏置电流源ib、第四nmos管mn4，所述偏置电流源ib的输入端接供电电源，其输出端接第四nmos管mn4的漏端，所述第四nmos管mn4的漏端与栅端相连，其源端接地，所述第三nmos管mn3的栅端、所述第四nmos管mn4的栅端及所述第五nmos管mn5的栅端相连接。

则可知本发明中可以依据实际需求，调整第一电阻r1和第二电阻r2的值，获得所需的输出信号。

作为本发明优选的实施例其自适应补偿原理如下：

当流过串联调整管mp0负载电流减小时，mp0跨导减小，输出端极点移向原点，流过mp5电流也减小，经mn1和mn2组成的电流镜，流过mn2的电流减小，因此流过mp4，mp5的电流减小，mp4、mp5的vgs(栅源电压)减小，相应地作为电阻的mp1的栅压增大，其线性导通电阻ron变大，零点频率减小，零点向原点方向移动，达到补偿输出极点的目的。

本发明中所述的弥勒补偿，其零极点分布满足以下公式：

极点

极点

零点

其中gmii为第二级跨导，ri为第一级输出电阻，rii为第二级输出电阻，cc为补偿电容的容值。

【实施例2】

本发明实施例提供一种技术方案：与实施例1不同的是，如图4所述，所述自适应补偿控制电路包括第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第三nmos管mn3以及电阻r0，所述第四pmos管mp4的漏端和栅端相连并与所述第三nmos管mn3的漏端连接，所述第五pmos管mp5的栅端与所述第四pmos管mp4的栅端连接，其漏端分别与所述电阻r0的一端、所述第二nmos管mn2的漏端和所述第一pmos管mp1的栅端连接，所述电阻r0的另一端接地，其中，所述第四pmos管mp4、所述第五pmos管mp5的源端接供电电源，所述第三nmos管mn3的源端接地。

作为本发明优选的实施例其自适应补偿原理如下：

当流过串联调整管mp0负载电流增大时，mp0跨导增大，输出端极点远离原点，流过mp5电流也增大，经mn1和mn2组成的电流镜，流过mn2的电流增大，因此流过电阻r0的电流减小，相应地作为电阻的mp1的栅压减小，其线性导通电阻ron变小，零点频率增大，零点向远离原点方向移动，达到补偿输出极点的目的。

【实施例3】

本发明实施例提供一种技术方案：与实施例1不同的是，针对实施例1中vout＝vref的情况，可知r1＝0，即不需要电阻r1，只需一个电阻r2即可，但是进一步的，考虑到电阻实际成本和工艺需求，在本发明实施例中，如图5所示，采用nmos管mn0来代替第二电阻r2。则所述低压差线性稳压器还包括偏置电路以及可以作为输出负载的nmos管mn0，所述偏置电路包括偏置电流源ib、第四nmos管mn4，所述偏置电流源ib的输入端接供电电源，其输出端接第四nmos管mn4的漏端，所述第四nmos管mn4的漏端与栅端相连，其源端接地，所述nmos管mn0的栅端、所述第三nmos管mn3的栅端、所述第四nmos管mn4的栅端及所述第五nmos管mn5的栅端相连接，所述nmos管mn0的源端接地，其漏端连接到稳压器输出端vout。

需要说明的是，nmos管mn0这里相当于在输出负载加一固定对地的电流源，当vout高于标称值时，可以通过这一对地电流源，让vout减小到标称值，当vout低于标称值，通过串联调整管mp0调整到标称值，本技术领域内同等性质的替换均属于本发明的保护范围。

【实施例4】

本发明实施例提供一种技术方案：与实施例2不同的是，针对实施例2中vout＝vref的情况，可知r1＝0，即不需要电阻r1，只需一个电阻r2即可，但是进一步的，考虑到电阻实际成本和工艺需求，在本发明实施例中，如图6所示，采用nmos管mn0来代替第二电阻r2。则所述低压差线性稳压器还包括偏置电路以及可以作为输出负载的nmos管mn0，所述偏置电路包括偏置电流源ib、第四nmos管mn4，所述偏置电流源ib的输入端接供电电源，其输出端接第四nmos管mn4的漏端，所述第四nmos管mn4的漏端与栅端相连，其源端接地，所述nmos管mn0的栅端、所述第三nmos管mn3的栅端、所述第四nmos管mn4的栅端及所述第五nmos管mn5的栅端相连接，所述nmos管mn0的源端接地，其漏端连接到稳压器输出端vout。

需要说明的是，nmos管mn0这里相当于在输出负载加一固定对地的电流源，当vout高于标称值时，可以通过这一对地电流源，让vout减小到标称值，当vout低于标称值，通过串联调整管mp0调整到标称值，本技术领域内同等性质的替换均属于本发明的保护范围。

图7为本发明第四实施例的频率响应示意图。如图7所示，图7中横坐标表示频率，上方纵坐标表示相位，下方纵坐标表示增益；上方两条曲线表示稳压器闭环相频响应曲线，下方两条曲线表示稳压器闭环幅频响应曲线。图7中用“圆圈”标记的曲线为负载电流il等于0的仿真结果，用“方框”标记的曲线为负载电流il等于10ma的仿真结果。图7中，下方幅频响应曲线纵坐标为0对应的横坐标频率点称为增益交点，该增益交点对应相频响应曲线的纵坐标值为相位裕度，可见图7中的结果是相位裕度均大于85°；图7中，上方相频响应曲线为0对应的横坐标频率点称为相位交点，该相位交点对应幅频响应曲线的纵坐标绝对值为增益裕度，可见图7中的结果是增益裕度均大于10db。因此，本发明实施例提供的低压差线性稳压器在负载电流为0和10ma时均有很好的稳定性。

图8为本发明第四实施例的相位裕度及增益裕度随负载电流变化示意图。如图8所示，横坐标表示负载电流，上方纵坐标表示相位裕度，下方纵坐标表示增益裕度。可见本发明实施例提供的低压差线性稳压器在整个负载电流范围内均能保持良好的稳定性。

可以理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等价变换，未经创造性的等效替换都应当属于本发明所揭露的范围。