本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓電路。

背景技術(shù)：

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源向著低電壓大電流方向發(fā)展，低壓電源變換器的研究與應(yīng)用成為日益重要的發(fā)展方向。對于5v轉(zhuǎn)3v的變換器的設(shè)計(jì)，由于不再受壓差(dropoutvoltage)的限制，因此可以采用n管作為功率管的低壓差線性穩(wěn)壓器(ldo)，相對于p管作為功率管的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo，n管需要的尺寸更小，且由于n管作為功率管的低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電阻為1/gm,n，(其中g(shù)m,n為n型功率管的跨導(dǎo))環(huán)路帶寬較大，瞬態(tài)響應(yīng)速度較p管作為功率管的低壓差線性穩(wěn)壓器更快。在低壓高速數(shù)字電路的應(yīng)用中，當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，即負(fù)載電流變換的di/dt非常大，為了保證數(shù)字電路的可靠性工作，要求供電模塊具有很快的響應(yīng)速度以及帶載能力。

傳統(tǒng)的片上電容低壓差線性穩(wěn)壓器ldo結(jié)構(gòu)有限的環(huán)路帶寬限制了它的最大響應(yīng)速度，當(dāng)負(fù)載從輕載快速切換到重載時(shí)，輸出電壓的變化量δvout大時(shí)可能使數(shù)字電路無法正常工作，而帶片外大電容的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo由于片外大電容的存在，使得電路的集成度很難提升，且為了保證環(huán)路的穩(wěn)定性，對片外電容的選取有一定的要求，因此傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo很難應(yīng)用于這一類的高速數(shù)字電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器ldo由于有限的環(huán)路帶寬很難滿足低壓高速數(shù)字電路的供電需求，本發(fā)明提出一種具有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓電路，該電路具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)速度，可滿足大的di/dt負(fù)載變化斜率，且具有較小的輸出電壓的變化量δvout，易于集成。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種具有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓電路，包括鉗位運(yùn)放電路和緩沖輸出級電路，所述鉗位運(yùn)放電路的輸入端輸入基準(zhǔn)電壓vref，

所述緩沖輸出級電路包括第二電容c3、第三電阻r3、第六電阻r6、第三pmos管mp3、第一pnp三極管pnp1、第三npn三極管npn3、輸出電容cout和自適應(yīng)調(diào)整電路，

第一pnp三極管pnp1的基極通過第三電阻r3后接所述鉗位運(yùn)放電路的輸出端，其發(fā)射極接第三pmos管mp3的漏極和第三npn三極管npn3的基極，其集電極接地；第三pmos管mp3的柵極接第一偏置電壓vb1，其源極接電源電壓；第二電容c3連接在第三npn三極管npn3的基極和地之間，第三npn三極管npn3的發(fā)射極通過第六電阻r6和輸出電容cout的并聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，其集電極接電源電壓；

所述自適應(yīng)調(diào)整電路包括第四電阻r4、第五電阻r5、第一電容c2、第四nmos管mn4、第四pmos管mp4、第一npn三極管npn1、第二npn三極管npn2和第二pnp三極管pnp2，

第四電阻r4和第五電阻r5串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)接第四nmos管mn4的漏極，第四nmos管mn4的柵極接第二偏置電壓vb2，其源極接地；第五電阻r5的另一端接所述鉗位運(yùn)放電路的輸出端，第四電阻r4的另一端接第二pnp三極管pnp2的基極，第二pnp三極管pnp2的發(fā)射極接第一npn三極管npn1的發(fā)射極，其集電極接地；

第一npn三極管npn1的基極和集電極互連并連接第四pmos管mp4的漏極和第二npn三極管npn2的基極；第四pmos管mp4的柵極接第一偏置電壓vb1，其源極接電源電壓；第二npn三極管npn2的集電極接電源電壓，其發(fā)射極連接第三npn三極管npn3的基極；第一電容c2連接在第二npn三極管npn2的基極和地之間。

具體的，所述鉗位運(yùn)放電路包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、源隨nmos管mn、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、補(bǔ)償電容c1、第一電阻r1和第二電阻r2，

第一nmos管mn1和第二nmos管mn2的源極互連并連接第三nmos管mn3的漏極，第一nmos管mn1的柵極作為所述鉗位運(yùn)放電路的輸入端，第三nmos管mn3的柵極連接第二偏置電壓vb2；

第一pmos管mp1的柵漏短接并連接第一nmos管mn1的漏極和第二pmos管mp2的柵極，源隨nmos管mn的柵極接第二nmos管mn2和第二pmos管mp2的漏極并通過補(bǔ)償電容c1后接地；

第一電阻r1和第二電阻r2串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)連接第二nmos管mn2的柵極，第一電阻r1的另一端接源隨nmos管mn的源極并作為所述鉗位運(yùn)放電路的輸出端，第二電阻r2的另一端和第三nmos管mn3的源極接地，第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極以及源隨nmos管mn的漏極接電源電壓。

具體的，所述輸出電容cout為100pf。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的線性穩(wěn)壓電路采用鉗位運(yùn)放電路得到與需要的電壓大小相等的電壓作為一個(gè)參考電壓，再通過具有一定帶載能力的緩沖輸出級得到最終需要的電壓，在簡化電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的同時(shí)，有效的實(shí)現(xiàn)了快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)以及較小的輸出電壓變化量δvout；本發(fā)明提供的線性穩(wěn)壓電路的輸出電壓并沒有反饋回鉗位運(yùn)放的輸入，系統(tǒng)不存在調(diào)整環(huán)路，帶寬不再受限制，因此瞬態(tài)響應(yīng)的速度非常快；加入自適應(yīng)調(diào)整電路，使得輸出電壓在全負(fù)載范圍內(nèi)的變化量減小很多，其帶載能力也有所增強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的線性穩(wěn)壓電路等效架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明提出的一種具有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓電路的實(shí)際電路圖；

圖3為本發(fā)明電路與傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器ldo瞬態(tài)響應(yīng)波形圖對比；

圖4(a)為在有自適應(yīng)調(diào)整電路和無自適應(yīng)調(diào)整電路時(shí)輸出電壓隨負(fù)載電流的變化曲線；

圖4(b)為本發(fā)明電路負(fù)載瞬態(tài)100ns跳變情況下輸出電壓vout的變化曲線；

圖5為全負(fù)載(io＝0～10ma)范圍內(nèi)輸出電壓的變化量△vout以及輕載(io＝0.5ma，1ma，1.5ma)下電路消耗的總電流iin與第五電阻r5取值的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明。

如圖1所示為本發(fā)明提出的線性穩(wěn)壓電路等效架構(gòu)圖，本發(fā)明提供的線性穩(wěn)壓電路可以應(yīng)用于數(shù)字負(fù)載，利用鉗位運(yùn)放結(jié)合緩沖器(buffer)給數(shù)字負(fù)載供電，由于系統(tǒng)不存在調(diào)整反饋環(huán)，是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)速度不再受環(huán)路帶寬的限制，大大提高了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的速度。為了保證輸出電壓的變化量δvout盡量小，滿足數(shù)字負(fù)載電路的供電要求，緩沖器buffer電路的設(shè)計(jì)尤為重要。

本發(fā)明提出的具有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的線性穩(wěn)壓電路如圖2所示，由兩部分組成，鉗位運(yùn)放電路和緩沖輸出級電路，鉗位運(yùn)放電路的輸入端輸入基準(zhǔn)電壓vref，緩沖輸出級電路包括第二電容c3、第三電阻r3、第六電阻r6、第三pmos管mp3、第一pnp三極管pnp1、第三npn三極管npn3、輸出電容cout和自適應(yīng)調(diào)整電路，第一pnp三極管pnp1的基極通過第三電阻r3后接鉗位運(yùn)放電路的輸出端，其發(fā)射極接第三pmos管mp3的漏極和第三npn三極管npn3的基極，其集電極接地；第三pmos管mp3的柵極接第一偏置電壓vb1，其源極接電源電壓；第二電容c3連接在第三npn三極管npn3的基極和地之間，第三npn三極管npn3的發(fā)射極通過第六電阻r6和輸出電容cout的并聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，其集電極接電源電壓；自適應(yīng)調(diào)整電路包括第四電阻r4、第五電阻r5、第一電容c2、第四nmos管mn4、第四pmos管mp4、第一npn三極管npn1、第二npn三極管npn2和第二pnp三極管pnp2，第四電阻r4和第五電阻r5串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)接第四nmos管mn4的漏極，第四nmos管mn4的柵極接第二偏置電壓vb2，其源極接地；第五電阻r5的另一端接鉗位運(yùn)放電路的輸出端，第四電阻r4的另一端接第二pnp三極管pnp2的基極，第二pnp三極管pnp2的發(fā)射極接第一npn三極管npn1的發(fā)射極，其集電極接地；第一npn三極管npn1的基極和集電極互連并連接第四pmos管mp4的漏極和第二npn三極管npn2的基極；第四pmos管mp4的柵極接第一偏置電壓vb1，其源極接電源電壓；第二npn三極管npn2的集電極接電源電壓，其發(fā)射極連接第三npn三極管npn3的基極；第一電容c2連接在第二npn三極管npn2的基極和地之間。

鉗位運(yùn)放電路包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、源隨nmos管mn、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、補(bǔ)償電容c1、第一電阻r1和第二電阻r2，第一nmos管mn1和第二nmos管mn2的源極互連并連接第三nmos管mn3的漏極，第一nmos管mn1的柵極作為鉗位運(yùn)放電路的輸入端，第三nmos管mn3的柵極連接第二偏置電壓vb2；第一pmos管mp1的柵漏短接并連接第一nmos管mn1的漏極和第二pmos管mp2的柵極，源隨nmos管mn的柵極接第二nmos管mn2和第二pmos管mp2的漏極并通過補(bǔ)償電容c1后接地；第一電阻r1和第二電阻r2串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)連接第二nmos管mn2的柵極，第一電阻r1的另一端接源隨nmos管mn的源極并作為鉗位運(yùn)放電路的輸出端，第二電阻r2的另一端和第三nmos管mn3的源極接地，第一pmos管mp1和第二pmos管mp2的源極以及源隨nmos管mn的漏極接電源電壓。

一些實(shí)施例中輸出電平cout為100pf，可以實(shí)現(xiàn)電路的片上集成，不需要再外掛電容。

鉗位運(yùn)放部分由差分放大器、跟隨器以及電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，根據(jù)負(fù)反饋原理，可得vb＝vref(r1+r2)/r2，其中vb為圖2中b點(diǎn)電壓，即鉗位運(yùn)放電路的輸出電壓。由于vb不需要驅(qū)動(dòng)大的電流負(fù)載，源隨nmos管mn的尺寸可以做的很小，只需提供后級緩沖輸出級電路中偏置電流源第四nmos管mn4足夠的漏極電流。該差分放大器包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第一pmos管mp1和第二pmos管mp2，其優(yōu)點(diǎn)在于易于補(bǔ)償。電容c1為補(bǔ)償電容，其兩個(gè)極點(diǎn)為

p1＝1/(ro,mp2//ro,mn2)c1

p2＝gm,mn/cl

其中cl為鉗位運(yùn)放輸出對地的等效電容，ro,mp2為第二pmos管mp2的阻抗，ro,mn2為第二nmos管mn2的阻抗，由于p2處于高頻，單位增益頻率內(nèi)只有一個(gè)極點(diǎn)，滿足環(huán)路相位裕度>45°。另外采用源隨nmos管mn作為鉗位運(yùn)放電路的輸出級，具有更好的電源抑制比(psrr)。在環(huán)路帶寬內(nèi)，高的環(huán)路增益抑制了電源擾動(dòng)對輸出的影響，高頻處，受限于環(huán)路帶寬，源隨nmos管mn的柵端不受電源電壓擾動(dòng)的影響，同時(shí)mn管為源隨結(jié)構(gòu)，其源端電壓不受電源電壓的影響，因此該鉗位運(yùn)放具有較高的高頻電源抑制比psrr。

緩沖輸出級包括第一pnp三極管pnp1和第三npn三極管npn3，由于第三npn三極管npn3需要提供大的負(fù)載電流，第三npn三極管npn3的尺寸必須足夠大，其最優(yōu)尺寸根據(jù)負(fù)載電流、電流放大倍數(shù)β與電流密度關(guān)系曲線進(jìn)行選擇。第三npn三極管npn3在工作時(shí)，其基極電流由第三pmos管mp3來提供，第三pmos管mp3管在電路中起偏置電流源的作用，同時(shí)作為第一pnp三極管pnp1的負(fù)載，根據(jù)圖2所示電路可得

其中為負(fù)載電流，α為第一npn三極管npn3與第一pnp三極管pnp1飽和集電極電流之比is,npn3/is,pnp1，vt為熱電壓，id,mp3為第三pmos管mp3管的漏電流。令當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，δv＝>0，那么vout＝vb+δv>vb；當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，δv<0，vout＝vb+δv<vb。第三pmos管mp3所能提供的電流是有限的，當(dāng)負(fù)載從輕載跳變到重載時(shí)，輸出電壓vout下降的變化量δvout變化很大，為了保證輸出電壓vout在全負(fù)載范圍內(nèi)δvout較小，需要提供更大的偏置電流，這將導(dǎo)致靜態(tài)功耗的增加。因此本文中增加了自適應(yīng)調(diào)整電路，由第四pmos管mp4、第一npn三極管npn1、第二npn三極管npn2、第二pnp三極管pnp2、第四電阻r4、第五電阻r5以及第四nmos管mn4組成，其中第四pmos管mp4和第四nmos管mn4是偏置電流源，當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)做大的跳變時(shí)，起到瞬態(tài)增強(qiáng)的效果，瞬態(tài)增強(qiáng)的關(guān)鍵在于第二npn三極管npn2管，忽略第三電阻r3和第四電阻r4上的壓降可得

其中和為pnp2和pnp1管的發(fā)射極電流，id,mp4為mp4管的漏電流。負(fù)載電流較小時(shí)，第三pmos管mp3管能夠提供給第三npn三極管npn3足夠的基極電流，為了提高輕載下的電源效率，第二npn三極管npn2不需要開啟提供多余的電流。為了保證輕載下第一pnp三極管pnp1和第二pnp三極管pnp2的電流密度相等，選擇其中spnp1和spnp2分別為pnp1和pnp2的發(fā)射極面積，和分別為mp3和mp4管的寬長比，則δvbe，pnp2-pnp1≈0，此時(shí)vbe,npn2＝vbe，npn1-r5id,mn4<vbe。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，減小，δvbe，pnp2-pnp1增大，vbe,npn2隨負(fù)載電流的增大而增大，第二npn三極管npn2逐漸開啟提供更多的電流，相對于無自適應(yīng)調(diào)整電路，第三pmos管mp3提供的基極電流減小，更多的電流流向第一pnp三極管pnp1，因此第一pnp三極管pnp1的發(fā)射極電壓vc隨負(fù)載電流增大而減小的速度變緩慢，輸出電壓的變化量δvout變小。

重載下：

在全負(fù)載范圍內(nèi)，由式(1)和(4)可得

其中為輕載下負(fù)載電流，為重載下負(fù)載電流，從上式可以看出，輸出電壓的變化量δvout隨增大而減小，此時(shí)存在δvout與靜態(tài)電流的折中問題。

假設(shè)重載下負(fù)載電流對應(yīng)的輸出電壓vout的最大變化量為根據(jù)上式可解出此時(shí)第二npn三極管npn2的發(fā)射極電流ie，npn2，再由ie，npn2與第五電阻r5的關(guān)系式解出對應(yīng)的r5max，那么在重載下負(fù)載電流的條件下滿足δvout≤δvoutmax，則第五電阻r5的選擇應(yīng)滿足r5≤r5max。另外，從圖2可以看出第二npn三極管npn2與第三npn三極管npn3形成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其電流放大能力得到有效的增強(qiáng)。

圖3為本發(fā)明電路與傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器ldo瞬態(tài)響應(yīng)波形圖，與傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo瞬態(tài)響應(yīng)有所區(qū)別，原因在于傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，輸出電壓反饋到誤差放大器的輸出端，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)完成之后輸出電壓可以被鉗回到原來的值，而上述結(jié)構(gòu)的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo輸出電壓并沒有反饋回鉗位運(yùn)放的輸入，系統(tǒng)不存在調(diào)整環(huán)路，帶寬不再受限制，因此瞬態(tài)響應(yīng)的速度非?？?，負(fù)載調(diào)整主要取決于第三npn三極管npn3的i-v關(guān)系。因此輸出電壓vout的交流變化量δvac與其直流變化量δvdc相等，總的來說本文提出的低壓差線性穩(wěn)壓器ldo的線性穩(wěn)壓電路的輸出電壓的變化量δvout小于傳統(tǒng)ldo電路中輸出電壓的變化量δvout的值。圖4(a)為有自適應(yīng)調(diào)整電路和無自適應(yīng)調(diào)整電路的輸出電壓隨負(fù)載電流的變化曲線，可以看出，加入自適應(yīng)調(diào)整電路之后，輸出電壓在全負(fù)載范圍內(nèi)的變化量減小很多，其帶載能力也有所增強(qiáng)。圖4(b)為負(fù)載瞬態(tài)100ns跳變情況下輸出電壓vout的變化曲線，圖5為全負(fù)載(io＝0～10ma)范圍內(nèi)△vout、輕載(io＝0.5ma，1ma，1.5ma)下電路消耗的總電流iin與第五電阻r5取值的關(guān)系曲線。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。