一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路制造技术

本发明专利技术公开了一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，包括误差放大器电路、自适应偏置电流源电路、NMOS管N5、电阻R2、频率补偿电路、用于自适应控制NMOS管N6的开启与关闭的上过冲检测电路和用于自适应控制PMOS管P5的开启与关闭的下过冲检测电路；上过冲检测电路在检测到发生上过冲时打开NMOS管N6，以向误差放大器电路提供额外的偏置电流；下过冲检测电路在检测到发生下过冲时打开PMOS管P5，以向误差放大器电路提供额外的偏置电流；NMOS管N5的漏极电性连接到电压源VDD1，源极电性连接到电阻R2的一端并作为LDO电路的输出电源端VP；电阻R2的另一端接地。本发明专利技术不但能够实现过冲输出的快速恢复，而且由于过冲检测电路的简洁结构而具有占用芯片面积小的优点。而具有占用芯片面积小的优点。而具有占用芯片面积小的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路


[0001]本专利技术涉及集成电路设计
，具体涉及一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路。

技术介绍

[0002]图1至3给出了实现全集成LDO线性稳压器的3种基本结构。人们习惯把低压降(LDO)线性稳压器简化称呼为LDO，本专利技术中亦延续这一习惯。其中：
[0003]参见图1所示，第一种结构为采用PMOS管作功率传输管的电路结构，其容易通过密勒补偿得到一个极低的主极点以保证环路的稳定性，具有负载电流范围大、线性调整率和负载调整率好等优点；而且适合在较低电源电压下工作。为了把输出电压过冲控制在一定的范围之内，输出端的等效阻抗必须控制在一定的范围之内，由于PMOS的载流子迁移率低，需要以更大的尺寸和更大的输出级电流(即R取值不能过大)保证输出端的低阻特性。这意味着，在同等的静态电流下其误差放大器的带宽往往小得多、功率传输管栅极负载大得多，因而难以满足全集成线性稳压器的快速响应要求。主要用在负载切换速率小于100mA/μs的场合。
[0004]参见图2所示，第二种结构为采用NMOS管作功率传输管的电路结构，由于输出端固有的低阻特性和NMOS管的高载流子迁移率特性，输出级不需要维持较大的最小偏置电流，而且作为功率传输管的NMOS管的尺寸更小一些，因而容易实现快速响应特性，能够应对负载切换速率更高的场合。此外，其带宽随负载变化小，因而环路稳定性好；NMOS功率传输管的漏极接电源，因此，电源抑制能力更好。由于功率传输管的栅极比输出电压高出一个VGS，要求误差放大器具有较高的工作电压，不过这在多数电子系统中都不是问题，因为I/O的标准供电电压是2.5/3.3V，带隙基准一般也采用3.3V电压供电，远高于SoC内核所需的1～1.2V电压。由于功率传输级没有电压增益，该结构的调整范围有限，最大负载电流往往较小，但是SoC的模块功耗往往也只有几十mA。
[0005]参见图3所示，第三种结构为采用FVF结构的电路结构，实际上是第一种结构的变种，适合全集成实现和快速响应场合，但是其线性调整率较差，而且，如果添加额外的共栅增益级以改善线性调整率的话，需要一定的稳态电流以维持环路稳定性，不利于降低静态功耗。
[0006]本专利技术的背景是给数模混合集成电路提供稳定的1.2V电压源，最大负载电流为20mA，所处的应用环境可能在1ns时间里完成最大电流和最小电流(约200uA)之间的切换，切换速率高达19.8A/μs；过冲电压要在1μs内恢复到稳态值附近。
[0007]第二种结构是本专利技术的全集成线性稳压器的基本实现框架。
[0008]由于低静态电流是线性稳压器的基本要求，误差放大器的带宽和输出摆率都是十分有限的，即便采用第二种结构，其固有的瞬态恢复速度也往往不能满足建立时间的要求。因此，一般都是需要采取额外的措施以加快功率传输管栅极电压的恢复速度，进而实现快速的瞬态恢复。
[0009]这里涉及到两个问题：(1)瞬变过冲的检测；(2)功率传输管栅极电压的恢复机制。其中：
[0010](1)瞬变过冲的检测
[0011]传统的过冲检测机制是通过一个C
‑
R高通网络监测输出电压的瞬变，问题在于，要提高阶跃检测幅度就得增加电阻和电容的大小，需要消耗较多的芯片面积；
[0012](2)功率传输管栅极电压的恢复机制
[0013]在负载切换时输出电压过冲的本质在于功率传输管的栅极电压不能及时恢复到负反馈环路的线性调整范围内(这个范围实际上是非常小的，反比于环路增益)。原因在于占据LDO芯片主要面积的功率传输管的栅极寄生电容非常大！解决这一问题的基本途径也是两个：提高误差放大器的输出摆率，以及直接向功率传输管的栅极注入(或者抽取)一定的电流。第一种途径的响应速度一般要慢一点，但是不会发生过调整导致的震荡；第二种途径的响应速度快一点，但是可能会出现过调整导致的震荡，而且无法借助线性分析工具去预知其行为。

技术实现思路

[0014]本专利技术目的是提供一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，通过采用非平衡负载差分放大器检测过冲并向误差放大器注入额外的偏置电流以提高瞬时输出摆率，进而实现过冲输出的快速恢复；同时，由于误差放大器始终在负反馈环路中，能够对功率传输管栅极充放电电流的大小进行控制，因而能够适应多种负载切换的情况。
[0015]本专利技术的技术方案是：一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，包括误差放大器电路、自适应偏置电流源电路、作为功率传输管的NMOS管N5、作为负载电阻的电阻R2、频率补偿电路、上过冲检测电路和下过冲检测电路，所述上过冲检测电路自适应控制NMOS管N6的开启与关闭，所述下过冲检测电路自适应控制PMOS管P5的开启与关闭；
[0016]所述上过冲检测电路被配置为在检测到发生上过冲时打开NMOS管N6，以向误差放大器电路提供额外的偏置电流，当输出上过冲电压恢复到接近稳态值时关闭NMOS管N6；
[0017]所述下过冲检测电路被配置为在检测到发生下过冲时打开PMOS管P5，并通过NMOS管N7～N8构成的电流镜向误差放大器电路提供额外的偏置电流，当输出下过冲电压恢复到接近稳态值时关闭PMOS管P5；
[0018]所述NMOS管N5的漏极电性连接到电压源VDD1，源极电性连接到电阻R2的一端并作为LDO电路的输出电源端VP；
[0019]所述电阻R2的另一端接地。
[0020]上述技术方案中，所述误差放大器电路选用套筒式共源共栅结构，包括NMOS管N1～N4、PMOS管P1～P4和偏置电流源IB 1，其中，
[0021]所述PMOS管P1的源极电性连接到电压源VDD2，栅极分别电性连接到PMOS管P2的栅极、PMOS管P3的漏极和NMOS管N3的漏极，漏极电性连接到PMOS管P3的源极；
[0022]所述PMOS管P2的源极电性连接到电压源VDD2，漏极电性连接到PMOS管P4的源极；
[0023]所述PMOS管P3的栅极分别电性连接到偏置电压源VB2和PMOS管P4的栅极；
[0024]所述PMOS管P4的漏极分别电性连接到NMOS管N5的栅极和NMOS管N4的漏极；
[0025]所述NMOS管N3的栅极分别电性连接到偏置电压源VB 1和NMOS管N4的栅极，源极电
性连接到NMOS管N1的漏极；
[0026]所述NMOS管N4的源极电性连接到NMOS管N2的漏极；
[0027]所述NMOS管N1的栅极电性连接到参考电压源VR，源极分别电性连接到NMOS管N1的源极和经偏置电流源IB 1接地；
[0028]所述NMOS管N2的栅极分别电性连接到上过冲检测电路的输入端、下过冲检测电路的输入端和输出电源端VP。
[0029]上述技术方案中，所述自适应偏置电流源电路包括NMOS管N6～N8和PMOS管P5，其中，
[0030]所述PMOS管P5的源极电性连接到电压源VDD2，栅极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，包括误差放大器电路、自适应偏置电流源电路、作为功率传输管的NMOS管N5、作为负载电阻的电阻R2、频率补偿电路、上过冲检测电路和下过冲检测电路，其特征在于：所述上过冲检测电路自适应控制NMOS管N6的开启与关闭，所述下过冲检测电路自适应控制PMOS管P5的开启与关闭；所述上过冲检测电路被配置为在检测到发生上过冲时打开NMOS管N6，以向误差放大器电路提供额外的偏置电流，当输出上过冲电压恢复到接近稳态值时关闭NMOS管N6；所述下过冲检测电路被配置为在检测到发生下过冲时打开PMOS管P5，并通过NMOS管N7～N8构成的电流镜向误差放大器电路提供额外的偏置电流，当输出下过冲电压恢复到接近稳态值时关闭PMOS管P5；所述NMOS管N5的漏极电性连接到电压源VDD1，源极电性连接到电阻R2的一端并作为LDO电路的输出电源端VP；所述电阻R2的另一端接地。2.根据权利要求1所述的面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，其特征在于：所述误差放大器电路选用套筒式共源共栅结构，包括NMOS管N1～N4、PMOS管P1～P4和偏置电流源IB1，其中，所述PMOS管P1的源极电性连接到电压源VDD2，栅极分别电性连接到PMOS管P2的栅极、PMOS管P3的漏极和NMOS管N3的漏极，漏极电性连接到PMOS管P3的源极；所述PMOS管P2的源极电性连接到电压源VDD2，漏极电性连接到PMOS管P4的源极；所述PMOS管P3的栅极分别电性连接到偏置电压源VB2和PMOS管P4的栅极；所述PMOS管P4的漏极分别电性连接到NMOS管N5的栅极和NMOS管N4的漏极；所述NMOS管N3的栅极分别电性连接到偏置电压源VB1和NMOS管N4的栅极，源极电性连接到NMOS管N1的漏极；所述NMOS管N4的源极电性连接到NMOS管N2的漏极；所述NMOS管N1的栅极电性连接到参考电压源VR，源极分别电性连接到NMOS管N1的源极和经偏置电流源IB1接地；所述NMOS管N2的栅极分别电性连接到上过冲检测电路的输入端、下过冲检测电路的输入端和输出电源端VP。3.根据权利要求1所述的面积紧凑的自适应偏置NMOS型LDO电路，其特征在于：所述自适应偏置电流源电路包括NMOS管N6～N8和PMOS管P5，其中，所述PMOS管P5的源极电性连...

【专利技术属性】
技术研发人员：白春风，潘成生，邵子健，乔东海，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：