一种高PSR的无片外电容LDO电路的制作方法

本发明涉及集成电路，尤其涉及一种高psr的无片外电容ldo电路。

背景技术：

1、随着片上系统(soc)朝着高集成度、低噪声的方向发展，这就要求电源管理系统具有面积小、宽频带的高电源纹波抑制的特点。作为电源管理系统中的关键电路模块——低压差线性稳压器(ldo)的设计存在许多的挑战：(1)传统ldo通常外接一个片外大电容，通过电容器来抑制电源噪声，但是片外大电容需要占据大的面积，不利于片上系统(soc)的大规模集成；(2)无片外电容ldo通常采用频率补偿技术来实现环路的稳定，不需要片外大电容，但具有较差的电源纹波抑制（psr）性能。

2、对于一个好的ldo设计，电源纹波抑制性能是设计者需要重点关注的。近些年来，由于无片外电容ldo的面积小且易于与数字电路集成的特点，被广泛用于片上系统中。然而无片外电容ldo由于没有片外大电容对电源纹波进行有效的抑制给电路设计带来巨大的挑战。对于ldo的电源纹波抑制而言，中高频段的电源纹波抑制能力变差是由于负反馈环路增益下降引起的。近些年，有许多高电源纹波抑制的结构被提出。其中一种称之为“负电容补偿”的结构可以提高中高频的psr同时不影响ldo的瞬态特性，其电路原理图如图1所示。

3、误差放大器 ea和功率管 m p及电阻 r 1 、r 2构成负反馈回路，电阻 r 1与 r 2的比值大小决定输出电压 v out的值。在ldo保持稳定的条件下，负反馈回路增益越大，低频电源纹波抑制能力越强。nmos管 m n和电流源 i b构成源极跟随器，其增益近似等于1。运算放大器op和电阻 r f1、 r f2构成同相比例放大器，其增益为 a v=1+ r f1/ r f2。电容 c m和源极跟随器及同相比例放大器构成负电容补偿电路。该负电容补偿电路在功率管 m p的栅端形成一个大小为(1- a v) c m的等效负电容。图2显示了ldo在中高频时的小信号模型，这种结构相比于传统的误差放大器+功率管的结构能实现更高的电源纹波抑制主要原因如下：在中高频时由于负反馈环路增益太低而无法对电源纹波进行有效抑制，环路失去作用，因此小信号模型中没有反馈环路。电源上的纹波 v dd通过影响功率管 m p的栅源动态电压来产生泄露电流，从而影响输出 v out。功率管 m p栅端的小信号电压 v g的表达式为：

4、

5、其中， c n为负电容补偿电路的等效负电容， c gs、 c gd1分别为功率管 m p的栅源电容和密勒等效电容， r p、 c p分别为功率管 m p栅端的寄生电阻和寄生电容。

6、这个等式说明了小信号电压 v g与电源纹波 v dd的关系，如果让 c n等于-( c gd1 +c p)，则小信号电压 v g近似等于 v dd，功率管 m p栅源动态电压接近0，有效地减小了功率管的泄露电流，从而提高ldo中高频的电源纹波抑制能力。

7、可以发现，负电容补偿结构的无片外电容ldo在中高频时可以得到很好的电源纹波抑制性能，但由于负电容补偿电路中运放的存在，在宽频率范围内实现一定大小的负电容需要大带宽的运放，此时必然会导致运放的功耗增加。除此之外，当流过功率管的电流发生变化时，功率管栅端的寄生电容也会发生变化，此时负电容补偿电路产生的负电容不能很好的抵消功率管栅端的寄生电容，导致中高频电源纹波抑制性能恶化，仿真结果如图3所示。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高psr的无片外电容ldo电路，在不改变ldo瞬态特性的情况下，在宽频率范围内和不同的负载电流下获得较好的电源纹波抑制性能。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种高psr的无片外电容ldo电路，包括ldo基本电路、与ldo基本电路连接的电源纹波前馈通路和与ldo基本电路连接的负电容等效电路；所述ldo基本电路包括误差放大器和输出mos管mp2，所述电源纹波前馈通路用于将中高频电源纹波复制到输出mos管的栅端，所述负电容等效电路用于产生的负电容并抵消所述输出mos管栅端的部分寄生电容。

4、进一步地，所述的ldo基本电路还包括第一pmos管mp1、电阻r1和电阻r2，所述误差放大器的反向输入端连接电压vref，所述第一pmos管mp1的栅极连接误差放大器的输出端，第一pmos管mp1的源极连接所述输出mos管mp2的栅极及所述的电源纹波前馈通路，输出mos管mp2的源极接电源vdd，电阻r1的一端连接输出mos管mp2的漏极，另一端连接电阻r2并与误差放大器的同向输入端连接，输出mos管mp2的漏极连接输出电压vout,电阻r2和第一pmos管mp1的漏极接地。

5、进一步地，所述的电源纹波前馈通路包括第三pmos管mp3、第四nmos管mn4、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第八pmos管mp8、第五nmos管mn5和电容c1，所述第五pmos管mp5的漏极连接所述输出mos管的栅极，第五pmos管mp5的栅极连接所述第四pmos管mp4的漏极且连接电容c1，第三pmos管mp3的栅极与第四pmos管mp4的栅、源极连接，第三pmos管mp3的漏极与第四nmos管mn4的栅、漏极连接，第三pmos管mp3的栅极还连接第八pmos管mp8的漏极、第八pmos管mp8的栅极、第五nmos管mn5的漏极，第五nmos管mn5的栅极接偏置电压vb1，第三pmos管mp3的源极、第五pmos管mp5的源极和第八pmos管mp8的源极接电源vdd，第四pmos管mp4的源极、第五nmos管mn5的源极和电容接地。

6、进一步地，所述的负电容等效电路包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、电阻r3、电阻r4和电容c2，所述第一nmos管mn1的栅极连接所述输出mos管的栅极，第一nmos管mn1的源极连接所述第二nmos管mn2的漏极且连接所述第三nmos管mn3的栅极，第二nmos管mn2的栅极接偏置电压vb2，第三nmos管mn3的漏极连接所述第六pmos管mp6的漏极且连接第七pmos管mp7的栅极，第六pmos管mp6的栅极通过电阻r3连接所述第七pmos管mp7的栅极，第七pmos管mp7的漏极经由电阻r4接地，电容c2的一端连接第一nmos管mn1的栅极，另一端连接第七pmos管mp7的漏极，所述第一nmos管mn1的漏极、第六pmos管mp6的源极和第七pmos管mp7的源极接电源vdd，所述第二nmos管mn2的源极和第三nmos管mn3的源极接地。

7、本发明的有益效果是：

8、1）本发明基于传统的负电容补偿结构的ldo电路进行改进，通过添加一个电源纹波前馈通路，将中高频的电源纹波复制到功率管的栅端，同时利用负电容等效电路产生的负电容去抵消功率管栅端的部分寄生电容，在宽频率范围下得到了高电源纹波抑制的电压输出。

9、2）本发明弥补了传统的负电容补偿结构的ldo电路在不同负载电流下中高频电源纹波抑制性能恶化的缺陷。

10、3）本发明中的负电容等效电路无需额外的运放，结构简单，能够在宽频率范围内实现一定大小的负电容。