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一種快速瞬態響應的無電容型LDO.pdf

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一種 快速 瞬態 響應 電容 LDO
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摘要
申請專利號:

CN201510358958.2

申請日:

2015.06.26

公開號:

CN104898752A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

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法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):G05F 1/56登記生效日:20180815變更事項:專利權人變更前權利人:中國兵器工業集團第二一四研究所蘇州研發中心變更后權利人:華東光電集成器件研究所變更事項:地址變更前權利人:215163 江蘇省蘇州市高新區龍山路89號變更后權利人:233030 安徽省蚌埠市湯和路2016號|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G05F 1/56申請日:20150626|||公開
IPC分類號: G05F1/56 主分類號: G05F1/56
申請人: 中國兵器工業集團第二一四研究所蘇州研發中心
發明人: 白濤
地址: 215163江蘇省蘇州市高新區龍山路89號
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510358958.2

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.09.04|||2017.03.15|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種快速瞬態響應的無電容型LDO,通過在LDO功率調整管的漏端和柵端引入可調節共源共柵反饋環路,使LDO輸出端構成一個具有深度負反饋的射極跟隨器,因此,LDO在全負載范圍內都具有超低的交流輸出阻抗,保證了輸出極點始終處在高頻。即使LDO負載電容和電流在較大范圍變化時,無輸出大電容型LDO在單位增益帶寬以內只有一個主極點,保證了系統穩定性;由于無額外的補償電容,實現了快速的瞬態響應。

權利要求書

權利要求書
1.   一種快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,在功率調整管的漏端和柵端引入可調節共源共柵反饋環路,使功率調整管源端的輸出電壓構成一個具有深度負反饋的射極跟隨器。

2.  根據權利要求1所述的快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,輸出電壓的變化量經可調節共源共柵放大器放大后反饋至功率調整管的柵端。

3.  根據權利要求1所述的快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,可調節共源共柵反饋環路包括兩個可調節共源共柵電路。

4.  根據權利要求3所述的快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,其中一個可調節共源共柵電路連接至功率調整管的漏端,該可調節共源共柵電路包括第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管和第五晶體管;第二電流源和第一晶體管為第二晶體管提供柵偏壓;第三晶體管的漏端連接至功率調整管的柵端,第三晶體管的柵端同時連接至第二晶體管的漏端和第四晶體管的漏端,第二晶體管的源端接地;第四晶體管的源端連接至電源VDD,第四晶體管的柵端同時連接至第三晶體管的源端和第五晶體管的漏端,第五晶體管的源端連接至電源VDD。

5.  根據權利要求3或4所述的快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,其中另一個可調節共源共柵電路連接至功率調整管的柵端,該可調節共源共柵電路包括第十晶體管、第十一晶體管、第十二晶體管和第十三晶體管;第一電流源和第十四晶體管為第十三晶體管提供柵偏壓;第十三晶體管的漏端同時連接至第十一晶體管的柵端和第十二晶體管的漏端,第十二晶體管的源端接地;第十二晶體管的柵端同時連接至第十一晶體管的源端、第八晶體管的漏端和第十晶體管的漏端,第十晶體管的源端接地。

6.  根據權利要求3所述的快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,功率調整管漏端與第八晶體管的源端共連至輸出電壓;
第八晶體管的柵端與第七晶體管的柵端、漏端共連;第八晶體管的源端連接至可調節共源共柵反饋環路;
第七晶體管的源端連接至放大器的輸出端,放大器的正向輸入端為參考電壓端,放大器的反向輸入端分別經第一電阻接地,經第二電阻連接至放大器的輸出端。

說明書

說明書一種快速瞬態響應的無電容型LDO
技術領域
本發明涉及一種無電容型LDO,屬于電路技術領域。
背景技術
LDO(Low Dropout Voltage Regulator:低壓差線性穩壓器)是最簡單的線性穩壓電源,它具有體積小、噪聲小、輸出波紋低,無電磁干擾且設計簡單、外圍原件少等優點。
在超大規模集成電路或SoC系統中的LDO模塊如果在片內集成大電容,會大幅增加芯片面積;如果采用片外電容,則需要增加芯片的引腳。所以,無論從應用成本、復雜度還是LDO自身可靠性而言,需要設計一種無需外部大電容就能實現自穩定的無電容型LDO。
同傳統型的LDO相比,無電容型LDO的最大區別在于電路結構上少了輸出端并聯的大電容。在傳統LDO中,該輸出端的大電容是一個重要的電荷儲存和提供器件,能有效減小由于負載電流階躍變化時輸出電壓的變化;同時依靠該電容與其等效的串聯電阻形成左半平面的低頻零點來抵消LDO環路內部的次主極點實現系統的穩定性。而無電容型LDO在穩定性和瞬態特性上存在著較大缺陷,是設計中的難點。
實現全片內LDO,目前廣泛采用的技術是依靠多級嵌套式密勒補償實現極點分裂和零極點抵消,但結構復雜,且補償電容較大。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷,提供一種快速瞬態響應的無電容型LDO。
為解決上述技術問題,本發明提供一種快速瞬態響應的無電容型LDO,其特征是,在功率調整管的漏端和柵端引入可調節共源共柵反饋環路,使功率調整管源端的輸出電壓構成一個具有深度負反饋的射極跟隨器。
輸出電壓的變化量經可調節共源共柵放大器放大后反饋至功率調整管的柵端。
可調節共源共柵反饋環路包括兩個可調節共源共柵電路。
其中一個可調節共源共柵電路連接至功率調整管的漏端,該可調節共源共柵電路包括第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管和第五晶體管;第二電流源和第一晶體管為第二晶體管提供柵偏壓;第三晶體管的漏端連接至功率調整管的柵端,第三晶體管的柵端同時連接至第二晶體管的漏端和第四晶體管的漏端,第二晶體管的源端接地;第四晶體管的源端連接至電源VDD,第四晶體管的柵端同時連接至第三晶體管的源端和第五晶體管的漏端,第五晶體管的源端連接至電源VDD。
其中另一個可調節共源共柵電路連接至功率調整管的柵端,該可調節共源共柵電路包括第十晶體管、第十一晶體管、第十二晶體管和第十三晶體管;第一電流源和第十四晶體管為第十三晶體管提供柵偏壓;第十三晶體管的漏端同時連接至第十一晶體管的柵端和第十二晶體管的漏端,第十二晶體管的源端接地;第十二晶體管的柵端同時連接至第十一晶體管的源端、第八晶體管的漏端和第十晶體管的漏端,第十晶體管的源端接地。
功率調整管漏端與第八晶體管的源端共連至輸出電壓;
第八晶體管的柵端與第七晶體管的柵端、漏端共連;第八晶體管的源端連接至可調節共源共柵反饋環路;
第七晶體管的源端連接至放大器的輸出端,放大器的正向輸入端為參考電壓端,放大器的反向輸入端分別經第一電阻接地,經第二電阻連接至放大器的輸出端。
本發明所達到的有益效果:
本發明通過在LDO功率調整管的漏端和柵端引入可調節共源共柵反饋環路,使LDO輸出端構成一個具有深度負反饋的射極跟隨器,因此,LDO在全負載范圍內都具有超低的交流輸出阻抗,保證了輸出極點始終處在高頻。即使LDO負載電容和電流在較大范圍變化時,無輸出大電容型LDO在單位增益帶寬以內只有一個主極點,保證了系統穩定性;由于無額外的補償電容,實現了快速的瞬態響應。
附圖說明
圖1本發明LDO;
圖2本發明LDO的負載電流與相位裕度的關系(200pF負載電容);
圖3本發明LDO的負載瞬態響應。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案,而不能以此來限制本發明的保護范圍。
如圖1所示,本發明的快速瞬態響應的無電容型LDO,在功率調整管Q6的漏端和柵端引入可調節共源共柵反饋環路,使LDO輸出電壓OUT(即功率調整管Q6的漏端)構成一個具有深度負反饋的射極跟隨器。
晶體管Q2、Q3、Q4、Q5組成一可調節共源共柵電路結構。電流源IB2和晶體管Q1為晶體管Q2提供柵偏壓。設定電壓VB2為晶體管Q5的柵偏壓。晶體管Q3的漏端連接至功率調整管Q6的柵端A,晶體管Q3的柵端同時連接至晶體管Q2的漏端和晶體管Q4的漏端,晶體管Q2的源端接地;晶體管Q4的源端連接至電源VDD,晶體管Q4的柵端同時連接至晶體管Q3的源端和晶體管Q5的漏端,晶體管Q5的源端連接至電源VDD;
晶體管Q10、Q11、Q12、Q13組成另一可調節共源共柵電路結構。電流源IB1和晶體管Q14為晶體管Q13提供柵偏壓。晶體管Q13的漏端同時連接至晶體管Q11的柵端和晶體管Q12的漏端,晶體管Q12的源端接地;晶體管Q12的柵端同時連接至晶體管Q11的源端、晶體管Q8的漏端B和晶體管Q10的漏端,晶體管Q10的源端接地。設定電壓VB1為晶體管Q10的柵偏壓。
晶體管Q8的源端、功率調整管Q6漏端共連至輸出電壓OUT。晶體管Q8的柵端與晶體管Q7的柵端、漏端共連。晶體管Q7的源端連接至放大器OP的輸出端C,放大器OP的正向輸入端為VREF端,放大器OP的反向輸入端分別經電阻R1接地,經電阻R2連接至輸出端C。
當負載RL發生瞬變,導致輸出電壓OUT變化,進而節點B發生同相變化。節點B的變化量經晶體管Q10~Q13的可調節共源共柵放大后反饋至功率調整管Q6的柵端,由于功率調整管Q6的柵端到漏端經過180度相移,進而抑制了輸出電壓OUT的變化,使LDO的輸出電壓OUT快速穩定。其中可調節共源共柵放大器的高阻抗負載由晶體管Q2~Q5組成。
設晶體管Qi的跨導和本征阻抗分別為gmi和r0i,則由晶體管Q2~Q5構成的可調節共源共柵(RGC)在A點的阻抗為gm4ro4gm3ro3×ro5。同理,由晶體管Q10~Q13 構成的RGC在A點阻抗為gm12ro12gm11ro11×(ro10//ro10),
A點總阻抗rA為:
rA=(gm4ro4gm3ro3×ro5)//[gm12ro12gm11ro11×(ro10//ro10)]   (1)
公式(1)比傳統的共柵放大器的輸出阻抗提升近2個數量級。
功率調整管Q6的寄生電容Cgd6,形成密勒補償電容。因此A的極點:
PA=1rA×[Cgs6+(1+A6)Cgd6]---(2)]]>
其中,A6為功率調整管Q6的電壓增益。
在B點斷開,計算LDO的開環增益Aopen:
Aopen=gm11ro11gm12ro12×-gm6(ro10//gm8ro8ro6)   (3)
在B點斷開的OUT的開環阻抗ropen:
ropen=ro6//(1+ro10ro8)×1gm8---(4)]]>
閉環輸出阻抗rclosed:
rclosed=ropen1+|Aopen|≈1gm11ro11gm12ro12×1gm8(ro8//ro10)×1gm6---(5)]]>
由(4)和(5),本發明LDO電路的輸出阻抗比傳統射極跟隨器輸出阻抗小約3個數量級,因此輸出電壓OUT處為低阻抗節點。即使負載電容較大,也能保證輸出極點在單位增益帶寬外。由(2)和(5)知,PA為系統的主極點。
寄生的右半平面零點為其中Cgd6和gm6分別為功率調整管Q6的漏柵電容和跨導,因為OUT為低阻抗節點,即使在輕載時,Q6具有一定的偏置電流,因此相對gm6較大,z0為高頻零點,可忽略。
晶體管Q8的偏置由晶體管Q7和設定的參考電壓VREF端提供,因此LDO 的輸出電壓OUT:
OUT≈VC=VREF(1+R2R1)---(6)]]>
圖2為LDO負載電流與環路相位裕度之間的關系,當負載電容為200pF,負載電流變化時,相位裕度大于45度。
如圖3,負載電流的上升沿和下降沿為50ns,負載電流最小值為0.1mA,負載電流最大值為100mA,由于LDO極小的輸出交流阻抗,負載電容為200pF下LDO仍具有良好的相位裕度。當負載電流跳變時,LDO輸出電壓的跌落和過沖均小于50mV。
以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明技術原理的前提下,還可以做出若干改進和變形,這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。

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