一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路制造技术

本发明专利技术公开一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单元、主功率管和副功率管；所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl；第一级放大器的第一输入端与LDO输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二端与LDO输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。本发明专利技术具有低工作电压、低空载电流、高环路增益、宽输出驱动范围的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LDO电路领域，更具体地，涉及一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路。
技术介绍
随着平板电脑、智能手机等便携式设备的普及，人们对电池使用时间长短的要求越来越高，静态电流和低输入输出电压差显得尤为重要。低压差线性稳压器(LDO)拥有低静态功耗，低噪声，电路结构相对简单，外围元器件少，电路规模小等优点，因而可以被广泛应用在便携式电子产品设备中。传统的LDO的电路结构如图1所示，需在输出端额外增加一个片外电容，其电容的值达到μF级。片外电容也有比较严重的缺陷，其尺寸是很大的，无法在LDO芯片内部集成，无法适应便携式电子产品小型化的发展趋势。如图2所示，现阶段，无片外电容型的LDO结构由于节省了片外的大电容，结构简单，成为了研究的热点。相较传统的LDO，无片外电容型LDO主极点和稳定性情形是不同的：传统的LDO的主极点位于有庞大的电容的输出端，而无片外电容型LDO的主极点一般在功率管的栅极；由于它们主极点和非主极点位置的不同，各自稳定性最严峻的情形也不同，传统的LDO最差的情形是在大负载的时候，因为大的负载,输出阻抗降低,主极点往高频的方向移动，增益带宽积GBW也随之增大,而非主极点不变，所以相位裕度变小。无片外电容型LDO最差的情形却与之相反,它发生在轻载或空载的时候，轻载时，输出阻抗变大，非主极点向低频移动，也就是向GBW方向移动，导致相位裕度变小。因此，对于无片外电容型LDO我们需要研究新的补偿方案来保证环路稳定的工作。目前的补偿方案多有最小负载电流要求，在空载的情况下难以稳定，因此有必要研究宽输出驱动范围的补偿方案。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，具有低工作电压、低空载电流、高环路增益、宽输出驱动范围的优点。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，通过LDO输出端输出电压，所述LDO电路包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单元、主功率管和副功率管；所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过控制电压输出端输出；所述第一级放大器的第一输入端与LDO输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二端与LDO输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。在一种优选的方案中，所述控制电压产生单元包括PMOS管MA1、MA2、MA5、MA6和NMOS管MA3、MA4、MB3、MB4，以及电容Ca；所述MA1与MA2以电流镜结构连接，即MA2的漏极、栅极和MA1的栅极连接，MA2和MA1的源极接电源，MA3的漏极与MA1的漏极连接，MA3的栅极接基准电压Vref，MA4的漏极与MA2的漏极连接，MA4的栅极与MA5的漏极连接，MA3和MA4的源极与MB3的漏极连接，MB3和MB4的源极接地，MB3和MB4的栅极连接后作为第一偏置电流源并输出偏置电压Nbias，MA6的栅极、漏极与MB4的漏极连接，作为控制电压产生单元的控制电压输出端，MA5的漏极与MA6的源极连接，MA5的栅极与MA1的漏极连接，MA5的源极接电源；电容Ca的一端接MA3的漏极，另一端接MA5的漏极。在一种优选的方案中，所述第一级放大器包括PMOS管M1和MB2，NMOS管M2和MB1；所述M1的源极作为第一输入端与LDO输出端连接，M1栅极作为第二输入端接控制电压产生单元的控制电压输出端，M2源极与M1漏极连接，M2栅极接偏置电压Vbias，MB1漏极与M1漏极连接，MB1源极接地，MB1栅极接偏置电压Nbias，MB2漏极与M2漏极连接并作为第一级放大器的输出端，MB2源极接电源，MB2栅极接偏置电压Pbias，MB1和MB2均作为偏置电流源。M1和M2组成折叠式共栅级放大器，作为第一级放大器。在一种优选的方案中，所述第二级放大器包括PMOS管M3、M7和M8，NMOS管M4、M5和M6；所述M3栅极与第一级放大器的输出端连接，M3源极接电源，M3漏极与M4漏极连接，M4与M5以电流镜结构连接，即M4漏极、栅极与M5栅极连接，M4和M5的源极接地，M6栅极与M1漏极连接，M6源极接地，M6漏极与M7漏极连接，M7和M8以电流镜结构连接，即M7漏极、栅极与M8栅极连接，M7和M8的源极接电源，M8漏极与M5漏极连接并作为第二级放大器输出端。M3、M4和M5组成一个正增益放大器，M6、M7和M8构成一条前馈通道，能改善相位裕度；M5和M8形成一个推挽输出级，能增强摆率，实现对主功率管的栅极电容快速充放电，增强LDO的负载瞬态响应。在一种优选的方案中，所述频率补偿单元包括密勒补偿电容Cm和前面所述M2，Cm第一端接M2源极，第二端接LDO输出端，Cm和M2组成折叠补偿结构。M2起隔断从第一级放大器到LDO输出端前馈通道的作用，对比传统密勒补偿，折叠补偿消除了右半平面零点，并实现更高电流-带宽效率。主功率管MP2的宽长比是副功率管MP1的几十倍，在电路工作时，根据负载电流大小，主功率管MP2会自动关闭或者打开，相应地，LDO分别工作在两级放大器以及三级放大器状态，从而便于LDO在不同的负载条件下保持环路的稳定性。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术提供一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单元、主功率管和副功率管；所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过控制电压输出端输出；所述第一级放大器的第一输入端与LDO输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二端与LDO输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。多级放大器的结构，实现了环路的高增益，因此LDO的线性调整率和负载调整率性能也得到很大的改善。本专利技术具有低工作电压、低空载电流、高环路增益、宽输出驱动范围的优点。...

【技术保护点】
一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，通过LDO输出端输出电压，其特征在于，所述LDO电路包括控制电压产生单元、第一级放大器、第二级放大器、频率补偿单元、主功率管和副功率管；所述控制电压产生单元用于产生控制电压Vctrl并通过控制电压输出端输出；所述第一级放大器的第一输入端与LDO输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的输出端连接，第一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一端和副功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二端与LDO输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，通过LDO输出端
输出电压，其特征在于，所述LDO电路包括控制电压产生单元、第一级放大器、
第二级放大器、频率补偿单元、主功率管和副功率管；所述控制电压产生单元用
于产生控制电压Vctrl并通过控制电压输出端输出；所述第一级放大器的第一输
入端与LDO输出端电连接，第二输入端与控制电压产生单元的输出端连接，第
一级放大器的输出端分别与第二级放大器的输入端、频率补偿单元的第一端和副
功率管的栅极电连接，主功率管的栅极与第二级放大器输出端电连接，主功率管
和副功率管的源极接电源，主功率管和副功率管的漏极以及频率补偿单元的第二
端与LDO输出端电连接，主功率管根据负载大小自动打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的基于自适应功率管技术的无片外电容LDO电路，
其特征在于，所述控制电压产生单元包括PMOS管MA1、MA2、MA5、MA6
和NMOS管MA3、MA4、MB3、MB4，以及电容Ca；所述MA1与MA2以电
流镜结构连接，即MA2的漏极、栅极和MA1的栅极连接，MA2和MA1的源
极接电源，MA3的漏极与MA1的漏极连接，MA3的栅极接基准电压Vref，MA4
的漏极与MA2的漏极连接，MA4的栅极与MA5的漏极连接，MA3和MA4的
源极与MB3的漏极连接，MB3和MB4的源极接地，MB3和MB4的栅极连接
后作为第一偏置电流源并输出偏置电压Nbias，MA6的栅极、漏极与MB4的漏
极连接，作为控制电压产生单元的控制电压输出端，MA5的漏极与MA6的源极
连接，MA5的栅极与MA1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭洪舟，李毓鳌，曾衍瀚，王阳，张鑫，唐诗豪，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，中山大学花都产业科技研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44