專利名稱：一種無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的無需片外補(bǔ)償電容的 低壓差線性穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，無需片外補(bǔ)償?shù)牡蛪翰罹€性穩(wěn)壓器(LDO)正受到人們越來越多的 關(guān)注[1-3]。對于這類LDO的研究主要是為了在片上系統(tǒng)(SoC)的應(yīng)用。研究 的主要目的是為了發(fā)展出很好的性能，使得能夠與采用片外補(bǔ)償電容的LDO具 有可比性。這些性能包括精度高(即輸入電壓調(diào)節(jié)率和輸出電流調(diào)節(jié)率小)， 負(fù)載瞬間變化時(shí)輸出電壓變化幅度小，空載情況下靜態(tài)電流小，以及輸出電流 能力強(qiáng)。
在此之前，文獻(xiàn)[l]、 [2]提出了基于三級放大器頻率補(bǔ)償技術(shù)的無需片外補(bǔ)償 電容的LDO。這一設(shè)置使得它們能夠有很好的精度。但是，[1]和[2]都需要100uA 的最小負(fù)載電流，使得它們在實(shí)際應(yīng)用場合的吸引力降低。與此同時(shí)，[3]中提 出的無需片外補(bǔ)償電容的LDO雖然實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載電流范圍下的穩(wěn)定性。但是因 為使用的是兩級結(jié)構(gòu)，所能達(dá)到的精度很差。
在這樣的背景下，發(fā)展出新型的無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器，使 得既能在了全負(fù)載電流范圍下穩(wěn)定又能具有很高的精度，具有一定現(xiàn)實(shí)意義， 符合技術(shù)發(fā)展潮流。
參考文獻(xiàn) Leung， K N.， Mok， P K T. A capacitor-free CMOS low-dropout regulator with damping-factor-control frequency compensation. IEEE J. Solid-state Circuits, 2003， 38(10): 1691. [2] Lau S K， Mok, P K T， Leung K N. A Low-Dropout Regulator for SoC With Q-Reduction. 正EE J. Solid-state Circuits, 2007， 42(3): 658. Miliken R J, Silva-Martinez J, S^nchez-Sinencio, E. Full On-Chip CMOS Low-Dropout Voltage Regulator,正EE Trans. Circuit and System I， 2007， 54(9): 1879.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器，以 便更好的實(shí)現(xiàn)全片上集成，減少片外元器件的數(shù)量。同時(shí)，本發(fā)明還克服了現(xiàn) 有的無需片上補(bǔ)償電容的LDO技術(shù)的缺點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度以及全負(fù)載電流范 圍穩(wěn)定。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容為 一種無需片外補(bǔ)償電容的低壓 差線性穩(wěn)壓器，它由兩級誤差放大電路(1、 2)、功率PMOS管(3)、電阻分壓 網(wǎng)絡(luò)(4)、補(bǔ)償電容(5、 6)和跨導(dǎo)反饋電路(7)構(gòu)成；所述兩級誤差放大電 路(1、 2)與功率PMOS管(3)依次串聯(lián)；輸入電壓Vin與功率PMOS管(3) 的源極相連，同時(shí)作為誤差放大器(1、 2)的供電電源；功率PMOS管(3)的 漏極與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的一端相連，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的另一端接地，電 阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的分壓輸出點(diǎn)連接至第一級誤差放大器(1)的一個輸入端以 構(gòu)成負(fù)反饋；補(bǔ)償電容(5)連接在功率PMOS管(3)的漏極與第一級誤差放 大器(1)的輸出端之間；補(bǔ)償電容(6)連接在功率PMOS管(3)的漏極與跨 導(dǎo)反饋電路(7)的輸入端之間；跨導(dǎo)反饋電路(7)的輸出端接至第二級誤差 放大器(2)的輸出端。
本發(fā)明低壓差線性穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)①無需片外補(bǔ)償電容，適合在片 上系統(tǒng)高度集成的環(huán)境下使用；②在全負(fù)載電流范圍內(nèi)均具有穩(wěn)定性；③具 有很高的精度。


圖1是本發(fā)明無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器的框圖2是本發(fā)明無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器的晶體管級實(shí)現(xiàn)原理
圖3是圖1所示低壓差線性穩(wěn)壓器將反饋環(huán)路打開后的示意圖4是小尺寸功率PMOS管增益隨負(fù)載電流變化的示意圖5是LDO的傳輸函數(shù)中一對左半平面極點(diǎn)隨負(fù)載電流變化的示意圖。
標(biāo)號說明1、 2表示框圖形式的放大器級，3、 IO表示功率PMOS管，4、 ll表示電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，5、 6、 12、 13表示用于頻率補(bǔ)償?shù)碾娙荩?表示框圖形 式的跨導(dǎo)反饋級，8、 9、 14分別為1、 2、 7的晶體管級實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明所提出的無需片外補(bǔ)償電容LDO的框圖如圖1所示，其中第一級放 大器(1)和第二級放大器(2)構(gòu)成了誤差放大器；功率PMOS管(3)與兩級 誤差放大器串接，其尺寸比一般情況下負(fù)載電流相同的功率管小得多；輸入電 壓Vin與功率PMOS管(3)的源極相連，同時(shí)作為誤差放大器(1、 2)的供電 電源；電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)用來形成負(fù)反饋；另外還用到了兩個補(bǔ)償電容(5， 6)， 其中第一個補(bǔ)償電容(5)跨接在第一級放大器(1)的輸出端和功率PMOS管 (3)的輸出端之間，第二個補(bǔ)償電容(6)通過一個跨導(dǎo)反饋級(7)接至第二200810201178.7
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級放大器(2)的輸出端。圖1所示LDO的晶體管級的實(shí)現(xiàn)在圖2中表示'
為了分析本發(fā)明的頻率響應(yīng)特性，可將圖1的環(huán)路打開，如圖3所示。所 得到的系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為，
其中
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
其中
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
<formula>formula see original document page 6</formula>(7)
<formula>formula see original document page 6</formula>(8)
<formula>formula see original document page 6</formula>(9)
<formula>formula see original document page 6</formula>(10)
因?yàn)長DO的輸出電流的變化范圍很大，所以需要分情況討論在各種負(fù)載電 流條件下的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
a)在空載以及負(fù)載電流很小的情況下，功率輸出管(3)的增益gmL/goL>>1， w1>>w2。表達(dá)式(1)被簡化為
<formula>formula see original document page 7</formula>(11)
其中^-^i為LDO的環(huán)路增益。從式(11)中我們可以看出存在一個左半平面的極點(diǎn)^，以及一對左半平面的共軛極點(diǎn)對:
<formula>formula see original document page 7</formula>(12)
以及一個左半平面的零點(diǎn)A。環(huán)路的相位裕度可以表達(dá)為:
<formula>formula see original document page 7</formula>(13)
當(dāng)環(huán)路的相位裕度能夠滿足式(13)的要求時(shí)，LDO是穩(wěn)定的。
b)當(dāng)存在中等程度的負(fù)載電流時(shí)，9W將變得很大。在這種情況下^2將遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于^。根據(jù)表達(dá)式(12)，在這種情況下左半平面的共軛極點(diǎn)對有可能會被 右半平面的極點(diǎn)所取代，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的反饋系統(tǒng)。因?yàn)楸景l(fā)明所使用的小 尺寸的功率管(3)，這種情況被避免掉從而系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的。原因?yàn)楫?dāng)電
流增加以后，功率管隨之而進(jìn)入線性區(qū)，它的增益^/g"隨著這種變化而顯著
的減小。這導(dǎo)致^也隨之而減小，于是
<formula>formula see original document page 7</formula>(14)
在這種情況下我們?nèi)匀豢梢缘玫阶蟀肫矫娴囊粚曹棙O點(diǎn)對
<formula>formula see original document page 7</formula> (15)
接著，中等程度負(fù)載電流條件下的相位裕度也需要根據(jù)式(13)來確定。
c)當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)，su/g。t<i并且％<<^2.在這一情況下式(l)簡化
為<formula>formula see original document page 8</formula>
(16)
在這一條件下相位裕度是很容易滿足的。圖4顯示了功率管增益隨電流變化的 情況。圖5是左半平面的共軛極點(diǎn)隨電流的變化情況的示意。
綜上所述，因?yàn)樗捎玫难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及小尺寸PMOS功率管的設(shè)置，本發(fā) 明中的無需片外補(bǔ)償電容的LDO具有全負(fù)載電流范圍內(nèi)均穩(wěn)定；同時(shí)，因?yàn)椴?用了兩級誤差放大器加一級功率管的三級放大結(jié)構(gòu)，LDO的環(huán)路增益很高，這 樣高精度也得到了保證。
權(quán)利要求
1.一種無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于它由兩級誤差放大電路(1、2)、功率PMOS管(3)、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)、補(bǔ)償電容(5、6)和跨導(dǎo)反饋電路(7)；所述兩級誤差放大電路(1、2)與功率PMOS管(3)依次串聯(lián)；輸入電壓Vin與功率PMOS管(3)的源極相連，同時(shí)作為誤差放大器(1、2)的供電電源；功率PMOS管(3)的漏極與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的一端相連，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的另一端接地，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(4)的分壓輸出點(diǎn)連接至第一級誤差放大器(1)的一個輸入端以構(gòu)成負(fù)反饋；補(bǔ)償電容(5)連接在功率PMOS管(3)的漏極與第一級誤差放大器(1)的輸出端之間；補(bǔ)償電容(6)連接在功率PMOS管(3)的漏極與跨導(dǎo)反饋電路(7)的輸入端之間；跨導(dǎo)反饋電路(7)的輸出端接至第二級誤差放大器(2)的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新型的無需片外補(bǔ)償電容的低壓差線性穩(wěn)壓器。它由兩級誤差比較器、一個功率PMOS管、兩個用于頻率補(bǔ)償?shù)碾娙莺鸵患壙鐚?dǎo)反饋電路構(gòu)成。所采用的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及小尺寸功率管的設(shè)置使得本發(fā)明提出的低壓差線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)在全負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定；同時(shí)，因?yàn)椴捎昧藘杉壵`差放大器，該線性穩(wěn)壓器還具有極高的精度；因此，該線性穩(wěn)壓器非常適合在全芯片上集成(SoC)環(huán)境下使用，具有極好的應(yīng)用前景。
文檔編號G05F1/56GK101369161SQ200810201178
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者鋒 周, 馬海峰 申請人:復(fù)旦大學(xué)