專利名稱：一種驅動nF級負載的低壓差線性穩壓器的制作方法
技術領域：
本發明屬于穩壓器設計技術領域，具體涉及一種適用于驅動nF級負載的低壓差 線性穩壓器。
背景技術：
低壓差線性穩壓器是一種常用的電壓轉換電路，它因為具有面積小，易集成，紋波 小的優點而被廣泛使用。其設計的難點主要為穩定性問題。如今為了確保其穩定性，主要 有兩種方法。其一采用一個很大的輸出電容(一般為uF級)以穩定環路，這種方法簡單 有效易于實現，可是卻會增加成本和面積，不易于集成；其二 采用一個很小的輸出電容一 般為(O-IOOpF)，將主極點放在第一級誤差放大器的輸出端以實現環路的穩定性。這種方 法設計簡單，易于集成因此現如今被廣泛采用。可是，第二種方法的低壓差線性穩壓器無法 驅動較大的負載(如nF級)，如果當所需要驅動的負載電容較大為nF級時，該低壓差線性 穩壓器便無法穩定。從以上的分析中我們可以看到，無論是大負載電容(uF級)或是小負 載電容(PF)級，因為可以將主次極點很好的分離從而得到環路的穩定性。但是當輸出電容 為nF級，電路便很難穩定，因為位于功率管柵極的極點與位于功率管漏級的極點(即輸出 極點)很難分離，從而形成共軛極點嚴重影響環路穩定性。若采用傳統的miller補償的方 法，至少需要一個300pF的補償電容才能穩定，這樣大大增加了電路面積和成本。本發明提出了一種新型的，不需要大電容補償就可以驅動nF級負載并在0_50mA 負載下都具有良好的穩定性的低電壓線性穩壓器，從而提供了一種很好的解決方案。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新型無需大電容補償的，可以驅動nF級電容負載的 低壓差線性穩壓器。發明提供的低壓差線性穩壓器，由誤差放大器、補償電容、自適應極點調節電路、 輸出采樣電路、功率管、負載電容和帶反饋的負載電路組成。其中，由輸出采樣電路對輸出 電壓Vtm進行采樣后輸入到誤差放大器的負端，誤差放大器將反饋電壓與參考電壓的誤差 信號進行比較放大后，單端輸出到自適應極點調節電路，通過自適應的對極點進行調節以 保證穩定性后輸入到功率管的柵極，進行負載調節。最后引入帶負反饋的負載電路，以減小 負載電阻，從而保證在零電流時電路的穩定性；輸出采樣電路由電阻R1、R2構成，接在輸出電壓Vqut和地之間，采樣信號由電阻Rl 和R2分壓之后送到誤差放大器的負端，與參考電壓Vref進行比較，放大；補償電容接在第一級的輸出與地之間，以設定主極點；負載電容接在輸出與地之間。本發明無需大電容補償，可以驅動nF級電容負載。該低壓差線性穩壓器采用 SMICO. 13um CMOS 1P9M混合信號工藝條件設計，輸出電容值為7nF，輸入電壓標稱值為 1. 2V，輸出電壓標稱值為0. 9V，輸出最大電流為50mA.利用電路仿真軟件對兩個主要環路
3進行仿真后表明，當負載電流為OmA和50mA時，均能保證環路的穩定性。利用電路仿真軟 件對設計好的版圖進行后版圖后仿真的結果表明當輸出負載電流從OmA到50mA瞬時跳 變時，該低壓差線性穩壓器的響應時間小于3us，過沖電壓小于0. 07V。當輸出負載電流從 50mA到OmA瞬時跳變時，該低壓差線性穩壓器的響應時間小于3us，過沖電壓約為0. 06V。
圖1為本發明的低壓差線性穩壓器整體結構框圖。圖2為自適應極點調節電路。圖3為帶負反饋的負載電路。圖4為環路的小信號模型以及幅頻特性。圖5為輸出電流在OmA到50mA之間跳變的輸出電流輸出電壓變化曲線。圖6為該低壓差線性穩壓器的效率曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖及實例對本發明進行詳細說明。如圖1所示，無需大電容補償的，可以驅動nF級電容負載的新型低壓差線性穩壓 器，由電阻Rl，R2組成的輸出采樣電路4對輸出電壓進行采樣，將采樣電壓輸入到誤差放大 器1的負端。誤差放大器1通過將輸出電壓與參考電壓的差值進行比較放大，單端輸出送 到自適應極點調節電路3。我們將主極點pi放在誤差放大器1的輸出端，通過調節補償電 容2的值可以調節主極點，這里補償電容2可為20pF。同時，我們將次極點p2放在輸出端， 將第三個極點P3放在功率管5的柵極，因此，穩定性最差的情況分別出現在電流最大和電 流最小的情況下。當負載電流增大的時候，P2增大向p3靠近；而電流減小的時候，p2減小 向Pl靠近，所以只要能滿足這兩種極端情況下的穩定性，就能滿足整個環路的穩定性。自 適應極點調節電路3能夠在電流大的時候相應的增大第三個極點p3，從而不需要增大靜態 功耗便能滿足環路的穩定性。將經過自適應極點調節電路3的信號輸入到功率管5進行負 載調節。同時通過引入帶有負反饋的負載電路6可以減小負載對環路穩定性的影響，當負 載電流很小的時候也能滿足環路的穩定性。如圖2所示，為本發明所采用的自適應極點調節電路。其中，MOS管Ml的柵極接 在誤差放大器的輸出端，源級連接輸出電壓Vqut，漏級與偏置電流源Il以及MOS管M2的源 級相連，在該電路中作用為共源放大器。Il為偏置電流，同時偏置MOS管Ml和MOS管M2。 MOS管M2為一個共柵放大器，其柵極為一個恒定電壓源Vl偏置，源級與電流源11和MOS管 Ml的漏級相連，其漏級與電阻R3、MOS管M3以及功率管5的柵極相連。其中電阻R3 —端 連接電源VDD，一端連接功率管5的柵極，MOS管M3為二極管連接，其柵極與漏級連在一起 共同接到功率管5的柵極，而其源級連接到電源VDD。電阻R3，MOS管M3以及功率管5柵 極加上miller效應的寄生電容Ap*Cgsp決定了第三個極點p3的位置。
權利要求
一種驅動nF級負載的低壓差線性穩壓器，其特征在于該穩壓器由誤差放大器(1)、補償電容(2)、自適應極點調節電路(3)、輸出采樣電路(4)、功率管(5)、帶反饋的負載電路(6)以及負載電容(7)組成；其中輸出采樣電路由兩個電阻(R1，R2)構成，接在輸出電壓VOUT和地之間，補償電容(2)接在第一級的輸出與地之間以設定主極點，負載電容COUT(7)接在輸出與地之間；由輸出采樣電路(4)對輸出電壓VOUT進行采樣，然后輸入到誤差放大器(1)的負端，誤差放大器(1)將反饋電壓與參考電壓的誤差信號進行比較放大后，單端輸出到自適應極點調節電路(3)，通過自適應的對極點進行調節以保證穩定性后輸入到功率管(5)的柵極，進行負載調節；最后，引入帶負反饋的負載電路(6)，以減小負載電阻，從而保證在零電流時電路的穩定性。
2.根據權利要求1所述的驅動nF級負載的低壓差線性穩壓器，其特征在于所述的自 適應極點調節電路⑶中，第一 MOS管(Ml)的柵極接在誤差放大器(1)的輸出端，源級連 接輸出電壓VOT，漏級與偏置電流源Il以及第二 MOS管(M2)的源級相連，在該電路中作用 為共源放大器；第二 MOS管(M2)為一個共柵放大器，其柵極為一個恒定電壓源Vl偏置，其 源級與偏置電流源Il和第一 MOS管(Ml)的漏級相連，其漏級與電阻R3、第三MOS管(M3) 以及功率管(5)的柵極相連；其中電阻R3—端連接電源VDD，另一端連接功率管(5)的柵 極，第三MOS管(M3)為二極管連接，其柵極與漏級連在一起共同接到功率管(5)的柵極，而 其源級連接到電源VDD。
3.根據權利要求2所述的驅動nF級負載的低壓差線性穩壓器，其特征在于所述的帶 負反饋的負載電路(6)中，第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)、第三MOS管(10)、電阻1 3、功 率管(5)、偏置電流源Il以及偏置電壓源Vl均與自適應極點調節電路(3)中的電路復用； 第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、電阻R3、功率管(50、電流源Il以及 偏置電壓源Vl連接關系與自適應極點調節電路(3)中的完全相同；并且功率管(5)漏級與 下拉MOS管(M4)以及輸出電容和負載相接，同時回連到第一 MOS管(Ml)的源級；這里，第 一 MOS管(Ml)作為共柵放大器工作；下拉MOS管(M4)的柵極連接到第一 MOS管(Ml)的漏 級，源級接地，漏級與輸出Vott相連接。
全文摘要
本發明屬于穩壓器設計技術領域，具體為驅動nF級負載的低壓差線性穩壓器。該線性穩壓器包括誤差放大器、補償網絡、帶反饋的負載、輸出采樣網絡和自適應極點調節電路。該電路只需要20pF的補償電容就能在全負載電流范圍內保持良好的相位裕度，而傳統的miller補償結構則需要至少200pF的補償電容，而且通過自適應極點調節電路的引入能夠大大減小靜態功耗。本發明不需要大電容補償就可以驅動nF級負載并在0-50mA負載下都具有良好的穩定性。
文檔編號G05F1/56GK101957625SQ20101024636
公開日2011年1月26日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者洪志良, 虞佳樂, 陳偉, 龔曉寒 申請人:復旦大學