專利名稱：一種基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的ldo的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源管理領(lǐng)域，具體涉及一種低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO，Low DropoutRegulator)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
電源管理模塊是芯片的基本單元電路，其設(shè)計(jì)在手持和便攜設(shè)備領(lǐng)域尤為重要。 無片外電容的低壓差線性穩(wěn)壓器，是現(xiàn)在流行的典型線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)。隨著當(dāng)前便攜式設(shè)備的廣泛使用，對LDO的性能也提出了新要求更低的功耗，即更小的壓差和更低的靜態(tài)電流；更好的瞬態(tài)響應(yīng)，即更優(yōu)的補(bǔ)償方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。環(huán)路穩(wěn)定性是LDO的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)的LDO采用輸出電容上的ESR(Equivalent SeriesResistance)補(bǔ)償?shù)姆绞?。由于ESR容易受環(huán)境，如溫度，工藝等的影響，變化較大， 穩(wěn)定提供的輸出電流被限制在很小的范圍內(nèi)而顯得不夠優(yōu)化。此外ESR的存在會在瞬時(shí)負(fù)載變化的時(shí)候惡化負(fù)載瞬時(shí)調(diào)整率(load transient regulation)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了多種新的拓?fù)浜脱a(bǔ)償方式K. N. Leimg提出的極點(diǎn)分裂技術(shù)和零極點(diǎn)抵消技術(shù)；Man提出的基于FVF的STC技術(shù)；Rincon-Mora提出的基于密勒倍增的零極點(diǎn)抵消技術(shù)以及K. N. Leung的阻尼因子校正技術(shù)(DFC)。但是它們都有一定的局限性=Leimg 提出的零極點(diǎn)抵消技術(shù)由工作在線性區(qū)的采樣管跟蹤工作在飽和區(qū)的功率管獲取負(fù)載信息，跟蹤負(fù)載不夠精確；STC技術(shù)由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制環(huán)路增益不可能很高，輸出電壓靜態(tài)精度受限；Rincon-Mora提出的密勒倍增技術(shù)的電路實(shí)現(xiàn)由于其特殊工藝要求限制了在標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝中的應(yīng)用；基于DFC技術(shù)的LDO補(bǔ)償架構(gòu)存在環(huán)路復(fù)雜性和較大靜態(tài)電流的缺點(diǎn)ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的LDO環(huán)路穩(wěn)定性的問題，提出了一種基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，包括誤差放大器，緩沖器，擺率增強(qiáng)電路，第一電容、第二電容和可變電阻，所述誤差放大器的輸出端與緩沖器的輸入端相連接，緩沖器的輸出端與擺率增強(qiáng)電路的輸出端相連接，所述第一電容的一端接誤差放大器輸出端，另一端與可變電阻的一端相連接，所述第二電容的一端與誤差放大器相連接，另一端與可變電阻的另一端相連接，并作為LDO的輸出端。所述誤差放大器包括PMOS管Ml、M2、Mbl、M7，M8, NMOS管M3，M4，M5，M6管，其中 Mbl作為尾電流源；Ml，M2作為輸入對管；M7 二極管連接；M8鏡像M7的電流并作為負(fù)載P 管；M3，M4 二極管連接作為第一級負(fù)載；M5鏡像M3的電流，M6鏡像M4的電流，且M6管作為負(fù)載N管；M5與M7漏極相連；M6與M8漏極相連作為誤差放大器輸出端。所述緩沖器包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作為偏置電流管，M9作為源隨器，Mb2 的漏極與M9的源極相連接，并作為緩沖器的輸出端；M9的柵極為緩沖器的輸入端，漏極接地。所述擺率增強(qiáng)電路包括PMOS管Ms、M16、M15,匪OS管M13、M14，其中，M16漏極和 Ms的柵極接緩沖器的輸出端，源極接LDO的輸入電壓，漏極接M14的漏極；M14 二極管連接； M13鏡像M14的電流，漏極接M15的漏極。所述可變電阻由NMOS管M12、PM0S管M11、M10組成，其中，M12鏡像所述擺率增強(qiáng)電路中NMOS管M14的電流；PMOS管MlO柵極接NMOS管M12的漏極；PMOS管Mll 二極管連接，漏極接NMOS管M12的漏極，PMOS管Mll源極和MlO的源極相連接，并作為LDO的輸出端。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，通過第一電容和可變電阻組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，作為系統(tǒng)的動態(tài)零點(diǎn)；通過采用電流倍增模式的第二電容補(bǔ)償 LDO環(huán)路的相位裕度，從而提高了 LDO環(huán)路穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LDO系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LDO的具體電路示意圖。圖3為本發(fā)明電流模式電容倍增示意圖，其中，圖(a)為電路結(jié)構(gòu)圖，(b)為等效示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中相位超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等效架構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。本發(fā)明LDO補(bǔ)償結(jié)構(gòu)思想如下誤差放大器采用單極對稱結(jié)構(gòu)的0ΤΑ，緩沖器用 PMOS源極跟隨器實(shí)現(xiàn)，增加對PMOS調(diào)整管的驅(qū)動能力，頻率補(bǔ)償采用miller電容和動態(tài)零點(diǎn)(可變MOS電阻+固定電容)相結(jié)合的方法。為提高LDO在負(fù)載突變時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，增加了擺率增強(qiáng)電路。圖1是基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LDO的系統(tǒng)方框圖，包括誤差放大器kin Mage，緩沖器Buffer，擺率增強(qiáng)電路SRE，第一電容C。、第二電容(；和可變電阻R。，所述誤差放大器kin Stage的輸出端與緩沖器Buffer的輸入端相連接，緩沖器Buffer的輸出端與擺率增強(qiáng)電路SRE的輸出端相連接，所述第一電容C。的一端接誤差放大器kin Stage輸出端，另一端與可變電阻R。的一端相連接，所述第二電容Cm的一端與誤差放大器kin Stage 相連接，另一端與可變電阻R。的另一端相連接，并作為LDO的輸出端。圖2為所述的LDO的具體電路示意圖。誤差放大器kin Stage包括PMOS管Ml、 皿2、]\&1、]\17，]\18，匪05管10，]\14，]\15，]\16，其中Mbl作為尾電流源；M1，M2作為輸入對管；M7 二極管連接；M8鏡像M7的電流并作為負(fù)載P管；M3，M4均二極管連接作為第一級負(fù)載；M5鏡像M3的電流，M6鏡像M4的電流，且M6管作為負(fù)載N管；M5與M7漏極相連；M6與M8漏極相連作為輸出端。緩沖器Buffer包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作為偏置電流管，M9作為源隨器， Mb2的漏極與M9的源極相連接，并作為緩沖器Buffer的輸出端；M9的柵極為緩沖器Buffer 的輸入端，漏極接地。
擺率增強(qiáng)電路SRE包括PMOS管Ms、M16、M15，NMOS管M13、M14，其中，M16漏極和 Ms的柵極一起接Buffer的輸出端，源極接LDO的輸入電壓，漏極接M14的漏極；M14 二級管連接；M13鏡像M14的電流，漏極接二極管連接的M15的漏極。M16管鏡像M15的電流?？勺冸娮鐸 。由NMOS管M12、PM0S管M11、M10組成，其中，M12鏡像所述擺率增強(qiáng)電路中NMOS管M14的電流；PMOS管Mll 二極管連接，漏極接NMOS管M12的漏極，PMOS管Mll 源極和MlO的源極相連接，并作為LDO的輸出端；PMOS管MlO柵極接NMOS管M12的漏極。這里，二極管連接指的是MOS管的柵極與漏極直接連接在一起。本發(fā)明利用的電流模式電容倍增示意圖如圖3所示。圖(a)為電路結(jié)構(gòu)圖，Vj 的小信號電壓變化在第一電容C。上的電流為VnC。S，通過電流鏡的低阻抗點(diǎn)(l/gm)收集流經(jīng)電容的小信號電流并比例鏡像放大，返回輸入端vn。圖(b)為等效示意圖，等效電容C^1 =(1+Kx)c。，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電容的密勒倍增。圖1中，第二電容Cm作為電流模式的密勒倍增電容，I 。是工作在線性區(qū)、包含負(fù)載信息的MOS電阻。第一電容C。與可變電阻R。跨接在EA增益級的輸出與功率管輸出，產(chǎn)生動態(tài)零點(diǎn)跟蹤補(bǔ)償輸出極點(diǎn)。Buffer隔離大電容和大電阻，并起擺率增強(qiáng)作用。Cf與反饋電阻I fl，Rf2組成高通濾波器，產(chǎn)生一對零極對，實(shí)現(xiàn)相位超前補(bǔ)償從而改善環(huán)路穩(wěn)定性。擺率增強(qiáng)電路SRE可以根據(jù)負(fù)載電流情況，改變對功率管柵電容Cp的瞬時(shí)充電電流。由圖1可知，LDO的穩(wěn)態(tài)輸出電壓
Rn + Rf7Vout = f ‘公式⑴
Kfi系統(tǒng)環(huán)路傳輸函數(shù)
…、H, mi + siz^a + s/z,) _眷‘公式⑵公式O)中，低頻環(huán)路增益
Rf、H1(O) =Avgmp[rop //(Rfl +Rf2)//Rl] fl 公式⑶
Kfl +Kf2零極點(diǎn)分別為
P,=
(KXCm + Cc mprop-^oeq h 今.’ Ps= 公式⑷
7 1 _upCm(W/LWgs-Vtp) _upCox(W/L\ II0K1K2^_ ^ J~廣"j"r、公式(5) Uc Cc Cc \upcox(wil)2
7 71Z2=Zf= ^7^公式(6)其中，Av為誤差放大器的直流增益，gmp為調(diào)整管Mp的跨導(dǎo)，rop為調(diào)整管Mp的導(dǎo)通電阻，Kx為M3與M5的鏡像比例，Sllb為Mb2的跨導(dǎo)，Roeq為誤差放大器的等效輸出電阻， μ p為空穴的遷移率，C。x為單位面積的柵氧化層電容，W為柵的寬度，L為柵的長度，Vgs為柵源兩極之間的電壓，Vtp為PMOS管的閾值電壓。公式(5)中乙為動態(tài)零點(diǎn)，用來跟蹤補(bǔ)償輸出動態(tài)極點(diǎn)P3，其中K1，K2為負(fù)載電流采樣網(wǎng)絡(luò)的采樣比例Zr為相位超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的增益帶寬乘積(GBW， Gain-Bandwidthproduct)之內(nèi)的零點(diǎn)，用來改善環(huán)路相位裕度。對應(yīng)的Pf在GBW之外，上面未予給出，具體分析將在下面給出。由此可知該LDO為單極點(diǎn)系統(tǒng)，具有很好的穩(wěn)定性。
圖4相位超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等效架構(gòu)圖，電容Cf與反饋網(wǎng)絡(luò)電阻I fl，組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，從而改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，并能提高瞬態(tài)響應(yīng)和PSRR，減小輸出噪聲。其傳輸函數(shù)表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，包括誤差放大器，緩沖器和擺率增強(qiáng)電路，其特征在于，還包括第一電容、第二電容和可變電阻，所述誤差放大器的輸出端與緩沖器的輸入端相連接，緩沖器的輸出端與擺率增強(qiáng)電路的輸出端相連接，所述第一電容的一端接誤差放大器輸出端，另一端與可變電阻的一端相連接，所述第二電容的一端與誤差放大器相連接，另一端與可變電阻的另一端相連接，并作為LDO的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，其特征在于，所述誤差放大 ^MUM2,MbUM7,M8, NMOS ^Μ3,Μ4,Μ5,Μ6Ρ 管，其中 Mbl 作為尾電流源；Μ1，Μ2作為輸入對管；Μ7 二極管連接；Μ8鏡像Μ7的電流并作為負(fù)載P管；Μ3，Μ4均二極管連接作為第一級負(fù)載；Μ5鏡像Μ3的電流，Μ6鏡像Μ4的電流，且Μ6管作為負(fù)載N管；Μ5與Μ7漏極相連；Μ6與Μ8漏極相連作為所述誤差放大器的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，其特征在于，所述緩沖器包括PMOS管Mb2、M9，其中，Mb2作為偏置電流管，M9作為源隨器，Mb2的漏極與M9的源極相連接，并作為緩沖器的輸出端；M9的柵極為緩沖器的輸入端，漏極接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，其特征在于，所述擺率增強(qiáng)電路包括PMOS管Ms、M16、M15，NMOS管M13、M14，其中，M16漏極和Ms的柵極接緩沖器的輸出端，源極接LDO的輸入電壓，漏極接M14的漏極；M14 二極管連接；M13鏡像M14的電流，漏極接M15的漏極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LD0，其特征在于，所述可變電阻由NMOS管M12、PMOS管Mil、MlO組成，其中，M12鏡像所述擺率增強(qiáng)電路中NMOS管M14的電流；PMOS管MlO柵極接NMOS管M12的漏極；PMOS管Mll 二極管連接，漏極接NMOS管M12 的漏極，PMOS管Mll源極和MlO的源極相連接，并作為所述LDO的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明屬于電源管理領(lǐng)域，公開了一種基于動態(tài)零極點(diǎn)跟蹤技術(shù)的LDO。本發(fā)明的LDO是為解決現(xiàn)有的LDO環(huán)路穩(wěn)定性的問題而提出的，具體包括誤差放大器，緩沖器和擺率增強(qiáng)電路，其特征在于，還包括第一電容、第二電容和可變電阻，所述第一電容的一端接誤差放大器輸出端，另一端與可變電阻的一端相連接，所述第二電容的一端與誤差放大器相連接，另一端與可變電阻的另一端相連接，并作為LDO的輸出端。本發(fā)明通過第一電容和可變電阻組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，作為系統(tǒng)的動態(tài)零點(diǎn)；通過采用電流倍增模式的第二電容補(bǔ)償LDO環(huán)路的相位裕度，進(jìn)而提高LDO環(huán)路的穩(wěn)定性。
文檔編號G05F1/56GK102541134SQ20111012092
公開日2012年7月4日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者周澤坤, 張波, 張雨河, 明鑫, 石躍, 胡志明 申請人:電子科技大學(xué)