一种用于线性稳压器的电压缓冲电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于线性稳压器的电压缓冲电路，由基本电压缓冲电路、输出电流监测电路、电流镜电路构成，其中基本电压缓冲电路的输入端与线性稳压器的压差放大器输出端连接，输出端为动态偏置电源缓冲电路的输出端，输出电流监测电路的输出端与电流镜电路的输入端连接，电流镜电路的输出端与基本电压缓冲电路中的静态偏置电流源并联。在不增加稳压器电路的静态功耗的条件下，减小电压缓冲电路输出端极点对系统相位裕度和稳定性影响；无需采用传统线性稳压器，利用片外滤波电容等效串联电阻产生零点的做法，因而降低系统的成本和使用难度，减小了等效串联电阻对稳压器电路瞬态响应和噪声抑制能力的影响；无需芯片上频率补偿电容，节省了芯片面积。

Voltage buffer circuit for linear voltage regulator

The invention relates to a voltage buffer circuit for linear regulator, composed of basic voltage buffer circuit, output current monitoring circuit, a current mirror circuit, the input fundamental voltage buffer circuit and the linear regulator pressure differential amplifier connected to the output end of the output end of the output buffer circuit dynamic bias power supply terminal, the monitoring circuit output current the output end of the current mirror circuit is connected with the input terminal, parallel static bias current source output current mirror circuit and voltage buffer circuit in. No increase in static power regulator circuit under the condition of reducing the effect of the output voltage buffer circuit end pole to the system phase margin and stability; without using the traditional linear regulator, using external filter capacitor equivalent series resistance has zero approach, thus reducing the cost of the system and the use of difficulty, reduce the inhibitory effect of equivalent series the ability of resistance to voltage regulator circuit transient response and noise; no on-chip frequency compensation capacitor, saves chip area.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体集成电路，具体涉及线性稳压器(linear voltage regulator)内部的电压缓冲电路。
技术介绍
近年来，单片集成的线性稳压电源，以其低成本，无需电感元件，洁净 的输出电压(低纹波、低噪声)等特点，广泛应用于以电池供电的电子系统， 如移动电话、掌上电脑等消费类电子产品，以及医疗设备、测试仪器。单片集成线性稳压器的基本组成如图l所示，包括了压差放大器(l)，电 压缓冲器(2)，电压调整晶体管(3) (pass transistor),反馈网络(4)。参 考电压Vref (7)为内部产生，或来自芯片外的，不随温度、输入电压等变 化的稳定电压信号，电容Cb及其等效串联电阻(5)和电阻RL (6)为集成线 性稳压器输出端所连接的片外滤波电容和负载电阻。线性稳压器的稳压原理为当输入电压Vi (8)或线性稳压器的负载RL (6)发生变化，引起线性稳压器输出端(9)的电压变化时，反馈网络(4)将 输出电压的变化反馈回压差放大器(l)的正向输入端，放大后的输出电压变 化信号再经过电压缓冲电路，传播到电压调整晶体管的控制极(10)(对于 场效应晶体管，栅极为控制极，对于双极晶体管为基极)，以控制电压调整 晶体管(3)的输出电流，从而达到稳定输出电压的目的。图1中，电压缓冲电路(2)的作用是将压差放大器的输出电阻与电压调 整晶体管的输入电容隔离，避免产生低频极点。从图l和以上线性稳压器的工作过程可以看到，线性稳压器是一个典型 的负反馈系统，因而必须保证系统的频率稳定性，即保证在正常的工作条件下，不会发生由于信号路径对信号的相位移动，使负反馈成为正反馈而引起 的自激振荡现象。线性稳压器中反馈环路对信号的相移，主要与稳压器输出端(9)的极 点P1和电压缓冲电路输出端(10)的极点P2相关。忽略系统中其他高频极点，则稳压器的环增益(loop gain)与频率的关系为<formula>formula see original document page 4</formula>上式中P为反馈系数，P= 朋 _^*AvO，为直流下的环增益。(1)Av (S)为开环增益，T0=为获得稳压器电路的频率稳定性，P2应充分大于P1，以保证当环增益的 幅值I T(S) I衰减到0dB (单位增益)时，环路的附加相移小于i80。。 输出端(10)处的极点Pl由稳压器输出端电阻Ro和电容Cb决定 Pl = _ll^ (2)为减少线性稳压器的输出电压中的噪声，保障在瞬态过程中输出电压的相对稳定，输出端电容Cb (5) —般取1uF到100uF。 (2)式中的Ro为输出稳压器输出端负载电阻RL (6)、电压调整晶体管(3)的输出电阻与反馈网络(4)的电阻(Ra+Rb)的并联电阻值，为减小稳压器电路的功耗，提高转换效率， 一般负载电阻小于后两个电阻，故Ro约为RL，负载电流IL约为调整管电流lDMpass，所以有<formula>formula see original document page 4</formula> <formula>formula see original document page 5</formula>3)由(3)式可以看到，对于不同的负载情况，Pl的位置不同。例如，设 Cb二10uF， Vo=5V，将IL^luA和IL二100mA分别代入(3)式，得到 Pl一low—load& - 0. 03 HZ (4) Pl_high—load " -3000 HZ (5) 电压缓冲电路输出端(10)处的极点P2，由电压缓冲电路的输出电阻 Robuffer和电压调整管的控制极的输入电容Cin决定P2 =__ (6)图2A和图2B是分别由M0S型器件和双极型器件构成的简单电压缓冲电路。图2A中，NM0S晶体管20为共漏极连接，21为其偏置电流源，图2B中，NPN晶体管30为共集电极连接，31为其偏置电流源。图2A和图2B中的电压缓冲电路的输出电阻分别为共漏极连接的MOS型晶体管的源极电阻RS，和共集电极连接的双极型晶体管的射极电阻RE，故有 P2 MOS二 -<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>(8)为在有限的控制极驱动电压下，具有一定的电流输出能力，降低电压调整管的导通电阻，电压调整管一般尺寸较大，因而控制极的输入电容较大。例如，对于MOS型电压调整管，控制极的输入电容一般在几十到几百皮法(pF)之间。为减小稳压器的功耗，电压缓冲电路中，偏置电流源的电流值一般为 微安级(uA)的固定值。将Ci二100pF， Ib二5uA， KP=50uA/v2， ^=20， VT二26mV带入(7)式和(8)式，可得到P2_M0S" 160K HZ (9) P2一bipolar ^ 300K HZ (10) 设稳压器系统的环增益在直流条件下的幅值I TO I =80dB，且环增益幅值在f〉Pl后，以-20dB/dec的速率下降(单极点近似)，则环增益幅值为OdB(单位增益)时的频率可以由下式粗略的估算为80fOdB =户mo元 (11)由(4)式和(5)式得到fOdB—low—load = -300 HZ (12) fOdB—high—load = -30 Meg HZ (13)为使环增益的相位裕度(phase margin)至少为45°，应有 fOdB 《P2 (14)由(9)、 (10)、 (12)、 (13)式可以看到，对于空载或轻负载情况，(14) 式能够满足，但在重负载下，P2远小于f0dB，即闭环系统不仅没有足够的相位裕度，而且存在着稳定性的问题。由(7)和(8)式，提高电压缓冲电路的偏置电流，能够提高P2，以满 足(14)。但是，提高电压缓冲电路的偏置电流，将使稳压器电路的自身功 耗增加，降低稳压器的转换效率，縮短电池的使用寿命。由以上分析可以看到，在线性稳压器电路中，系统的稳定性要求与低功 耗要求存在矛盾。传统线性稳压器，利用片外滤波电容Cb (图1中的5)及其等效串联电阻(ESR) Resr产生的左半平面(LHP)零点Zl,抵消P2对相位裕度的影响 K*P2 > Zl = ll^ > Pl (K为常数) (15)当Resr的取值满足(15)式，线性稳压器系统的环增益的频率响应，在 单位增益频率内，近似为单极点响应，系统的稳定性和充分的相位裕度得到 了保障。但从(15)式可以看到，Resr的取值应在一个封闭的区间，习惯上， 这个区间被称为死亡通道(death channel)。死亡通道的存在，限制了滤波 电容Cb可选用的类型，增大了系统的成本和稳压器的使用难度。此外，由于 要求Cb的等效串联电阻Resr大于一定的值，增大了Cb的实际阻抗，使系统对 输入电压纹波和噪声的抑制能力降低，并增大在瞬态过程中，输出端的电压 的变化。片上频率补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于线性稳压器的电压缓冲电路，其特征在于，该电压缓冲电路由基本电压缓冲电路、输出电流监测电路、电流镜电路构成，其中，基本电压缓冲电路的输入端与线性稳压器的压差放大器输出端连接，输出端为动态偏置电源缓冲电路的输出端，输出电流监测电路的输出端与电流镜电路的输入端连接，电流镜电路的输出端与基本电压缓冲电路中的静态偏置电流源并联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪西虎，
申请(专利权)人：中国航天时代电子公司第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]