线性稳压器的制作方法

1.本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种线性稳压器。


背景技术：

2.低压差线性稳压器(low dropout regulator，ldo)在拥有良好的瞬态响应的情况下，还具有低功耗、低噪声和低成本的特点，广泛应用于手持设备和便携式电子产品中。然而，在重载条件下的低压差线性稳压器的两个低频极点(包括第一极点和第二极点)相隔太近，最大可带来180
°
的相位延迟，使得线性稳压器的环路由负反馈变成正反馈，从而导致系统崩溃。因此，需要引入补偿方法来保证系统的稳定性。
3.常用的稳定性补偿方法包括将所述第二极点推远，而推远所述第二极点通常是通过增加所述低压差线性稳压器中误差放大器的功耗来实现的。然而，这一方法虽然可以在重载条件下对所述低压差线性稳压器进行稳定性补偿，但在轻载条件下容易造成功耗浪费。
4.鉴于此，需要一种线性稳压器在确保环路稳定性的同时不增加功耗。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种线性稳压器，在无需增加误差放大器的功耗的情况下确保了所述线性稳压器的环路稳定性，避免造成功耗浪费。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种线性稳压器，包括功率晶体管、误差放大器、电阻倍压电路和补偿电路，其中：
7.所述功率晶体管用于将输入电压转换为输出电压，连接于电压源和输出节点之间；
8.所述电阻倍压电路用于将所述输出电压反馈至所述误差放大器，连接于所述输出节点和所述误差放大器的同向输入端之间；
9.所述补偿电路用于保证所述线性稳压器的环路稳定性，包括一自适应动态偏置的缓冲器，连接于所述误差放大器的输出端与所述功率晶体管的栅极之间；
10.所述误差放大器用于根据所述输出电压和一参考电压之间的电压差驱动所述功率晶体管，以稳定所述输出电压。
11.可选的，所述缓冲器包括第一pmos管和第二pmos管，所述第一pmos管的栅极连接所述误差放大器的输出端，所述第一pmos管的源极连接所述功率晶体管的栅极和所述第二pmos管的栅极，所述第一pmos管的漏极接地，所述第二pmos管的源极连接所述电压源，所述第二pmos管的漏极连接所述功率晶体管的栅极。
12.可选的，所述电阻倍压电路包括第一反馈电阻和第二反馈电阻，其中，所述第一反馈电阻的第一端连接所述输出节点，所述第一反馈电阻的第二端连接所述误差放大器的同向输入端，所述第二反馈电阻的第一端连接所述误差放大器的同向输入端，所述第二反馈电阻的第二端接地。
dropout regulator，ldo)包括误差放大器ea、功率晶体管pmp、输出电容cl、第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r2，其中，所述功率晶体管pmp连接于电压源vdd与输出节点vout之间，用于将输入电压转化为输出电压，所述误差放大器ea根据所述输出电压与一参考电压vref之间的电压差驱动所述功率晶体管pmp，以稳定所述输出电压；所述第一反馈电阻r1和所述第二反馈电阻r2连接于所述输出节点vout与所述误差放大器ea之间，用于将所述输出电压反馈至所述误差放大器ea；所述输出电容cl用于保持所述低压差线性稳压器的环路稳定性(esr为所述输出电容的等效电阻)。可选的，所述低压差线性稳压器的输出端(即所述输出节点vout)连接一负载load。
31.具体的，继续参阅图1，所述功率晶体管pmp的源极连接所述电压源vdd，所述功率晶体管pmp的漏极连接至所述输出节点vout；所述第一反馈电阻r1的第一端连接所述输出节点vout，所述第一反馈电阻r1的第二端连接所述误差放大器ea的同向输入端及所述第二反馈电阻r2的第一端，所述第二反馈电阻r2的第二端接地；所述误差放大器ea的输出端连接所述功率晶体管pmp的栅极；所述输出电容cl的第一端连接所述输出节点vout，第二端接地。可选的，所述输出电容cl的电容约为1μf。
32.图2为图1所述的低压差线性稳压器的小信号模型示意图。参阅图2，所述低压差线性稳压器包含两个极点p0和p1，且所述极点p0和p1分别为：
[0033][0034][0035]
其中，req为所述输出节点vout的等效输出阻抗，roa为所述误差放大器ea的输出阻抗，cl为所述输出电容cl的电容，c1为极点p1的寄生电容。
[0036]
当所述低压差线性稳压器处于轻载状态时，req
·
cl》》roa
·
c1，所述极点p0和p1相差很远，此时所述低压差线性稳压器的环路是稳定的；所述低压差线性稳压器处于重载状态时，req
·
cl与roa
·
c1相差很小，甚至几乎相等，因此环路中的两个低频极点p0、p1十分相近，影响了所述环路的稳定性，严重时可能会带来最大180
°
的相位延迟，导致所述低压差线性稳压器的环路由负反馈变成正反馈，从而导致系统崩溃。
[0037]
为了解决上述问题，需要通过将极点p1推远来拉开两个相近的极点，这就需要减小所述误差放大器ea的输出阻抗roa(即增加所述误差放大器ea的功耗)，从而保证环路的稳定性。然而，轻载时两个所述极点的距离较远，因此，通过增加所述误差放大器ea的功耗的方法来提高稳定性是一种十分浪费功耗的做法。鉴于此，本发明提供一种线性稳压器，在无需增加误差放大器的功耗的情况下确保了所述线性稳压器的环路稳定性，避免造成功耗浪费。
[0038]
图3为本发明一实施例提供的线性稳压器的电路图。参阅图3，本实施例所述的线性稳压器包括功率晶体管pmp、误差放大器ea、电阻倍压电路和补偿电路，其中：
[0039]
所述功率晶体管pmp用于将输入电压转换为输出电压，连接于电压源vdd和输出节点vout之间；
[0040]
所述电阻倍压电路用于将所述输出电压反馈至所述误差放大器ea，包括第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r2，其中，所述第一反馈电阻r1的第一端连接所述输出节点vout，所
述第一反馈电阻r1的第二端连接所述误差放大器ea的同向输入端，所述第二反馈电阻r2的第一端连接所述误差放大器ea的同向输入端，所述第二反馈电阻r2的第二端接地；
[0041]
所述补偿电路用于保证所述线性稳压器的环路稳定性，包括一自适应动态偏置的缓冲器(buffer)，所述缓冲器包括第一pmos管pm1和第二pmos管pm2，所述第一pmos管pm1的栅极连接所述误差放大器ea的输出端，所述第一pmos管pm1的源极连接所述功率晶体管pmp的栅极及所述第二pmos管pm2的栅极，所述第一pmos管pm1的漏极接地，所述第二pmos管pm2的源极连接所述电压源vdd，所述第二pmos管pm2的漏极连接所述功率晶体管pmp的栅极；
[0042]
所述误差放大器ea用于根据所述输出电压和一参考电压vref之间的电压差驱动所述功率晶体管pmp，以稳定所述输出电压。
[0043]
继续参阅图3，本实施例中，所述输出节点vout为所述线性稳压器的输出端，所述线性稳压器的输出端还连接一输出电容cl(图3中的esr表示所述输出电容的等效电阻)，以确保环路稳定性，所述线性稳压器的输出端还连接一负载load。可选的，所述输出电容cl的电容约为1μf。需要说明的是，本实施例中，所述误差放大器ea的具体结构可以根据实际需要进行选择，本发明在此不作展开，所述功率晶体管pmp的尺寸可以根据负载需求进行调整，所述第一反馈电阻r1和所述第二反馈电阻r2的具体阻值可以根据实际需要进行选择，本发明对此不作限制。
[0044]
图4为图3所述的线性稳压器的小信号模型示意图。参阅图4，所述线性稳压器包括极点p0、极点p1和极点p2，所述极点p0、所述极点p1和所述极点p2分别为：
[0045][0046][0047][0048]
其中，req为所述输出节点vout的等效输出阻抗，roa为所述误差放大器ea的输出阻抗，1/gm2为所述缓冲器的阻抗，cl为所述输出电容cl的电容，c1和c2分别为所述极点p1和极点p2的寄生电容。
[0049]
需要说明的是，gm1、gm2和gmp分别为所述误差放大器ea、所述缓冲器和所述功率晶体管pmp的跨导，c1为所述缓冲器的栅极电容，非常小；所述缓冲器的阻抗1/gm2远小于所述误差放大器ea的输出阻抗roa，即1/gm2＜＜roa。由于极点p1的寄生电容c1非常小，极点p2的阻抗也非常小，因此，结合极点p0、极点p1和极点p2的表达式可知，所述极点p1和所述极点p2在相对高频处，所述极点p0在相对低频处。
[0050]
所述线性稳压器处于轻载状态时，由于req
·
cl非常大，因此极点p0处于极低频处；同时，所述功率晶体管pmp的栅极(gate)电压vg较高，所述第二pmos管pm2通过的电流较小，gm2也较小，通过增加所述第二pmos管pm2的沟道宽长比(即沟道宽度w/沟道长度l)可使所述缓冲器的输出阻抗(即所述极点p2的阻抗)变小，因此，req
·
cl》》roa
·
c1》》(1/gm2)
·
c2。结合极点p0、极点p1和极点p2的表达式可知所述极点p0、极点p1和极点p2之间的关系为p0《《p1《《p2，即所述极点p0远小于所述极点p1和所述极点p2(所述极点p0与所述极点p1、所述极点p2之间存在数量级的差距)，此时，所述线性稳压器的环路是稳定的。
[0051]
所述线性稳压器处于重载状态时，所述输出节点vout的等效输出阻抗req变小，但所述功率晶体管pmp的栅极(gate)电压vg较低，导致所述第二pmos管pm2通过的电流较大，gm2也较大，所述缓冲器的输出阻抗(即1/gm2)变小，因此，req
·
cl》》roa
·
c1》》(1/gm2)
·
c2，结合极点p0、极点p1和极点p2的表达式可知所述极点p0、极点p1和极点p2之间的关系为p0《《p1《《p2，从而确保所述线性稳压器的环路稳定。
[0052]
图1所示的低压差线性稳压器大多应用在55lp、40lp和28lp等平台，所述低压差线性稳压器的静态功耗为45μa，不适用于超低功耗平台。而本实施例所述的线性稳压器(如图3所示)目前应用于超低功耗平台(即55ulp平台)，且所述线性稳压器的静态功耗仅为1μa。可见，本实施例所述的线性稳压器可以在不增加功耗的前提下保证环路的稳定性，避免造成功耗浪费。可选的，本实施例所述的线性稳压器为低压差线性稳压器。
[0053]
综上，本发明提供一种线性稳压器，包括功率晶体管、误差放大器、电阻倍压电路和补偿电路，其中：所述功率晶体管用于将输入电压转换为输出电压，连接于电压源和输出节点之间；所述电阻倍压电路用于将所述输出电压反馈至所述误差放大器，连接于所述输出节点和所述误差放大器的同向输入端之间；所述补偿电路用于保证所述线性稳压器的环路稳定性，包括一自适应动态偏置的缓冲器，连接于所述误差放大器的输出端与所述功率晶体管的栅极之间；所述误差放大器用于根据所述输出电压和一参考电压之间的电压差驱动所述功率晶体管，以稳定所述输出电压。本发明通过设置所述补偿电路在无需增加所述误差放大器的功耗的情况下确保了所述线性稳压器的环路稳定性，避免造成功耗浪费。
[0054]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。