低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器制造技术

本发明专利技术公开了低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器，其中栅极直流偏置网络用于提供功率放大晶体管工作所需的栅极偏置电压；漏极直流偏置网络用于提供功率放大晶体管工作所需的漏极偏置电压；输入端阻抗匹配网络包括微带线、隔直电容以及RC并联电路；输出端阻抗匹配网络包括谐波控制网络和椭圆低通滤波匹配网络，其中，谐波控制网络选取通带外的两个频率点进行二次谐波控制；椭圆低通滤波匹配网络基于一个六阶切比雪夫低通滤波器改进得到，在工作频带外产生两个传输零点，实现基波阻抗到二次谐波阻抗的转换。本发明专利技术使得功率放大器在超五倍频的工作带宽内实现高效率和高增益。高增益。高增益。

【技术实现步骤摘要】
低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器


[0001]本专利技术属于线性调整器
，特别涉及低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器。

技术介绍

[0002]随着集成电路设计和工艺制程的不断进步，越来越多的电路被集成在一起。通常一个大规模数模混合芯片中包含了多个不同的数字、模拟电路模块，模拟电路模块需要为数字模块服务，比如需要模拟电源管理模块为数字模块提供稳定的电压，最常用的电源管理模块便是LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)。
[0003]如今数字模块的频率越来越高，这也为模拟模块设计带来挑战，比如在ADC(analog to digital converter，模拟数字转换器)应用中，需要模拟LDO在调整阶段对电容阵进行充放电，在这个阶段中，切换时间在几纳秒级别，给LDO响应的恢复时间在微秒级别。这是传统LDO电路很难实现的。受到ADC特性的影响，需要LDO具有高瞬态响应，高负载能力的特点，同时考虑到数模混合电路的集成问题，还需要LDO具有面积小，静态功耗低的特点。
[0004]但是在传统LDO的设计中，需要为LDO预留多个芯片引脚，应用工程师需要选用具有特定ESR(equivalent series resistance，串联等效电阻)值范围和容值范围的外接大电容以保证LDO稳定工作和优化电路输出的负载瞬态特性。但也正是由于片外大电容的存在，导致传统LDO无法实现全片上集成，增加PCB板的面积，难以应用于数模混合集成电路中。
[0005]随着集成电路的发展，Capless
‑
LDO(无片外电容的低压差线性稳压器)的研究已经有所进展。经典Capless
‑
LDO多采用缓冲级驱动型误差放大器和P型功率输出级结构，采用缓冲级来降低误差放大器的输出阻抗，从而抬高次极点，保证LDO的稳定性。其输出阻抗为
[0006][0007]该公式表明，在低功耗的应用场景下，小的静态电流I
D
会产生小的跨导g
m
，进一步产生大的误差放大器的输出阻抗r
o
，导致极点间距过小，难以保障LDO的稳定。因此，这种缓冲级驱动型Capless
‑
LDO结构并不适用于低功耗应用场景。而且缓冲级的驱动能力也很弱，导致LDO瞬态响应较差，其不能满足如今更高速率数模混合电路的工作的要求。

技术实现思路

[0008]故针对现有需求以及目前技术中存在的缺陷，实有必要进行研究和改进，以提供一种方案，以解决这种需求，改善现有技术中存在的缺陷。因此本专利技术提出一种无片外电容的LDO电路，拥有低功耗、高瞬态响应，低静态功耗，易于集成等特点。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供了低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压
器，可以应用在数模混合集成电路中，且在全负载范围内稳定，在满足低功耗(静态电流小于5微安)前提下，实现高瞬态响应(切换时间1纳秒，恢复时间1微秒内)。具体包括直接驱动型误差放大器，N型功率输出级、自适应阻抗瞬态增强电路和补偿电容，其中，
[0010]所述直接驱动型误差放大器包括两个输入端，该两个输入端分别直接连接参考电压与所述N型功率输出级中的电阻形成的反馈电压节点，其输出端连接到N型功率调整级的控制端，根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动N型功率调整级；
[0011]所述N型功率输出级，其输入端直接连接直接驱动型误差放大器的输出端，其输出端为整个线性稳压器的输出端；
[0012]所述自适应阻抗瞬态增强电路，其输入端直接连接直接驱动型误差放大器内NMOS电流镜的栅端，其输出端直接连接N型功率输出级的输出端，；
[0013]所述补偿电容，其输入端直接连接N型功率输出级的电阻形成的反馈电压节点，其输出端直接连接N型功率输出级的输入端，与N型功率输出级的反馈电阻电路构成补偿网络。
[0014]优选地，所述直接驱动型误差放大器采用差分输入、推挽输出结构，推挽输出结构产生轨对轨的电压信号。
[0015]优选地，所述直接驱动型误差放大器采用改进的OTA架构，其在传统OTA架构基础上，将其电流镜改进为非线性电流镜，在二极管接法的MOS负载上并联了交叉耦合对。
[0016]优选地，所述直接驱动型误差放大器包括1个参考电压Vref，2个偏置电压Vb、Vp，8个PMOS管：M4～M7、M11～M14，5个NMOS管：M1～M3、M8、M9，其中M1构成NMOS尾电流源，M2、M3构成NMOS差分对管，M4～M7、M11、M12构成非线性电流镜，M13、M14构成交叉耦合对，当电路处于静止状态时，所有MOS管工作在饱和态，当负载发生变化时，M3的栅压发生变化，其中M4和M5将工作在线性区，实现电流镜电流传输比的非线性化，其他MOS管仍处于饱和区；
[0017]M1栅端接偏置电压Vb，M2栅端接反馈电压Vfb，M3栅端接参考电压Vref，M11、M12栅端接偏置电压Vp，M1、M8、M9源端接地端，M4
‑
M7、M13、M14源端接直流电源阳极VDD，M1漏端与M2、M3源端相连，M2漏端与M11漏端、M4栅端、M6栅端、M14栅端相连，M3漏端与M12漏端、M5栅端、M7栅端、M13栅端相连，M4漏端与M11源端、M13漏端相连，M5漏端与M12源端、M14漏端相连，M6漏端与M8栅端、漏端相连，M7漏端与M9漏端相连。
[0018]优选地，所述N型功率输出级包括1个NMOS功率调整管M10，2个多晶硅电阻R1、R2，三者共同构成了NMOS共漏放大器，在轻载时，M10工作在亚阈值区，在重载时，M10工作在饱和区。
[0019]优选地，所述NMOS功率调整管M10的栅端为N型功率输出级的控制端或输入端，M10的漏端接直流电源阳极VDD，源端与电阻R1的上端相连，构成输出电压节点Vo，电阻R1的下端与电阻R2的上端相连，构成反馈电压节点Vfb，电阻R2的下端接地端。
[0020]优选地，所述自适应阻抗瞬态增强电路由NMOS泄流管M15构成，其输入接入与线性稳压器输出电压变化趋势相反的电压信号。
[0021]优选地，所述自适应阻抗瞬态增强电路具体连接关系为：NMOS泄流管M15的栅端接自适应偏置电路的输出端，M15的源端接地端，漏端接N型功率输出级的输出电压节点Vo，其中，自适应偏置电路由所述直接驱动型误差放大器中的M4、M6、M8、M11构成。
[0022]优选地，所述补偿电容基于密勒补偿的原理。
[0023]优选地，所述补偿电容的阳极接直接驱动型误差放大器的输出端，阴极接N型功率输出级的反馈电压节点Vo。
[0024]本专利技术的有益效果至少包括：相对于现有的低压差线性稳压器，本专利技术通过采用直接驱动型误差放大器，减少了电路支路数量，提高了误差放大器的驱动能力，从而实现在同等功耗的前提下，提升瞬态响应能力；通过采用N型功率输出级，抬高了输出级极点，减小负载变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器，其特征在于，包括直接驱动型误差放大器，N型功率输出级、自适应阻抗瞬态增强电路和补偿电容，其中，所述直接驱动型误差放大器包括两个输入端，该两个输入端分别直接连接参考电压与所述N型功率输出级中的电阻形成的反馈电压节点，其输出端连接到N型功率调整级的控制端，根据输出电压的反馈电压与参考电压之间的电压差驱动N型功率调整级；所述N型功率输出级，其输入端直接连接直接驱动型误差放大器的输出端，其输出端为整个线性稳压器的输出端；所述自适应阻抗瞬态增强电路，其输入端直接连接直接驱动型误差放大器内NMOS电流镜的栅端，其输出端直接连接N型功率输出级的输出端，；所述补偿电容，其输入端直接连接N型功率输出级的电阻形成的反馈电压节点，其输出端直接连接N型功率输出级的输入端，与N型功率输出级的反馈电阻电路构成补偿网络。2.根据权利要求1所述的低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器，其特征在于，所述直接驱动型误差放大器采用差分输入、推挽输出结构，推挽输出结构产生轨对轨的电压信号。3.根据权利要求1所述的低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器，其特征在于，所述直接驱动型误差放大器采用改进的OTA架构，其在传统OTA架构基础上，将其电流镜改进为非线性电流镜，在二极管接法的MOS负载上并联了交叉耦合对。4.根据权利要求3所述的低功耗高瞬态响应无片外电容低压差线性稳压器，其特征在于，所述直接驱动型误差放大器包括1个参考电压Vref，2个偏置电压Vb、Vp，8个PMOS管：M4～M7、M11～M14，5个NMOS管：M1～M3、M8、M9，其中M1构成NMOS尾电流源，M2、M3构成NMOS差分对管，M4～M7、M11、M12构成非线性电流镜，M13、M14构成交叉耦合对，当电路处于静止状态时，所有MOS管工作在饱和态，当负载发生变化时，M3的栅压发生变化，其中M4和M5将工作在线性区，实现电流镜电流传输比的非线性化，其他MOS管仍处于饱和区；M1栅端接偏置电压Vb，M2栅端接反馈电压Vfb，M3栅端接参考电压Vref，M11、M12...

【专利技术属性】
技术研发人员：程知群，陈宇，乐超，周涛，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：