專利名稱：具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及低壓差線性穩壓器技術領域，更具體地是指一種具有負載檢測電路及動態零點補償電路的快速瞬態響應低壓差線性穩壓器。
背景技術：
低壓差線性穩壓器是片上電源管理系統模塊中的重要組成部分，由于其具有需要輸入輸出壓差小，面積小，電流利用率高，易于集成等優勢而得到廣泛應用。然而，當外界負載發生變化時，輸出電壓將存在尖脈沖并且需要一個瞬態響應時間k才能回到穩定狀態。這些尖脈沖的存在將對所供電模塊特別是模擬模塊性能產生致命影響。另外，為保證低壓差線性穩壓器正常工作，通常需要外接具有特殊參數(Crat及有效串聯電阻Resk)的片外耦合電容。圖1示出的是傳統低壓差線性穩壓器的電路示意圖，傳統低壓差線性穩壓器由誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PM0S、第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2構成。誤差放大器用來比較基準電壓Vkef及線性穩壓器的輸出反饋電壓Vf并生成控制信號調節功率管PMOS ;電壓緩沖器加在誤差放大器及功率管PMOS之間用以驅動功率PMOS大的柵電容，加快反應速度；反饋電阻Rfl及Rf2用來產生供誤差放大器比較的適當的反饋電壓\。目前很多低壓差線性穩壓器的設計及優化都在致力于提高線性穩壓器瞬態響應性能，如在誤差放大器及電壓緩沖器之間加入其它環路增益調節電路或者對電壓緩沖器進行優化，但這些設計往往造成電路結構復雜且因為引入附加電路而造成功耗加大。
發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種簡單有效的提高線性穩壓器瞬態響應性能的方法，在獲得高性能的同時簡化電路結構并降低功耗。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，包括誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PM0S、第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2,該誤差放大器用以比較基準電壓Vkef及該線性穩壓器輸入的反饋電壓Vf，并生成控制信號來調節該功率管PMOS ；電壓緩沖器連接于該誤差放大器與功率管PMOS之間，用以驅動功率PMOS大的柵電容，加快反應速度；反饋電阻Rfl及Rf2連接于該線性穩壓器的輸出端與誤差放大器之間，用以產生反饋電壓Vf，供誤差放大器使用；該線性穩壓器還包括:連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該電壓緩沖器之間的一負載檢測電路，以及連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該誤差放大器之間的一動態零點補償電路；其中，該負載檢測電路用于檢測負載電流的變化，進而控制該動態零點補償電路產生動態零點zD跟蹤并補償掉該線性穩壓器的第一非主極點PEA。上述方案中，該負載檢測電路進一步用于檢測該功率管PMOS與該線性穩壓器的輸出端Vwt之間的壓差，從而判斷負載大小。該負載檢測電路的兩輸入端分別連接于該電壓緩沖器的輸出端及該線性穩壓器的輸出端Vrat，該負載檢測電路的輸出端連接于該動態零點補償電路。上述方案中，該動態零點補償電路由具有固定值的電阻及壓控可變電容串聯構成，或者由具有固定值的電容及壓控可變電阻串聯構成。該動態零點補償電路進一步用于根據該負載檢測電路的輸出信號調整零點位置，對帶內零極點進行補償調整。該動態零點補償電路的輸入端連接于該負載檢測電路的輸出端，該動態零點補償電路的輸出端連接于該電壓緩沖器的輸入端。該動態零點補償電路進一步根據負載檢測電路提供信號對帶內零極點進行補償調整，從而達到該線性穩壓器對不同負載情況穩定的目的，降低對片外耦合電容的要求。上述方案中，該線性穩壓器的第二非主極點Pvb由外接電容生成的零點Ze補償。該誤差放大器的兩輸入端分別為基準電壓Vref及負反饋電壓vf，該誤差放大器的輸出端連接到該電壓緩沖器輸入端及該動態零點補償電路；該電壓緩沖器的輸入端連接到該誤差放大器的輸出端，該電壓緩沖器的輸出端連接到該功率管PMOS的柵極以及該負載檢測電路的輸入端；該功率管PMOS的柵極連接于該電壓緩沖器的輸出端，該功率管PMOS的源極連接于電源Vin，該功率管PMOS的漏極連接于該第一反饋電阻Rfl的一端。(三)有益效果本發明提供的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的快速瞬態響應低壓差線性穩壓器，是通過增加系統環路增加單位頻率來達到提高線性穩壓器瞬態響應性能目的。其中引入的負載檢測電路能夠檢測負載變化并調節動態零點補償電路產生一個動態零點跟蹤并精確補償帶內第一非主極點。低壓差線性穩壓器第一非主極點可以由該動態零點精確抵消，而第二非主極點可以由外接電容產生的零點抵消。整個系統因此相當于單極點系統，單位增益頻率得到了顯著提高，并且對于不同負載位增益頻率也可以保持很好的恒定。這種動態補償技術使得低壓差線性穩壓器較傳統結構具有對負載變化更快瞬態響應能力以及小的電壓尖脈沖。負載檢測電路及動態零點補償電路并無靜態功耗，對整個低壓差線性穩壓器的電流效率無影響。
圖1示出的是傳統低壓差線性穩壓器的電路圖。圖2示出的是具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器的電路圖。圖3示出的是傳統低壓差線性穩壓器及本發明低壓差線性穩壓器的零極點分布對比波特圖。圖4示出的是一種具體的電路實現方式。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。在下文中，通過參照附圖，本發明的實例將被詳細地描述。但是，本發明可以以許多不同的形式加以實施，并不應限定于這里給出的實例，該實例的提供是為了使本公開是徹底的和完整的，并且向熟悉本領域的人員全面地傳達本發明的思想。圖1示出的是傳統低壓差線性穩壓器電路示意圖，傳統低壓差線性穩壓器由誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PM0S、第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2構成。誤差放大器用來比較基準電壓Vkef及線性穩壓器的輸出反饋電壓Vf并生成控制信號調節功率管PMOS ；電壓緩沖器加在誤差放大器及功率管PMOS之間用以驅動功率PMOS大的柵電容，加快反應速度；第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2用來產生適當的反饋電壓Vf，供誤差放大器比較。其中環帶內零極點分別為:位于低壓差線性穩壓器輸出端主極點pD，位于誤差放大器輸出端第一非主極點Pea，位于電壓緩沖器輸出端第二非主極點Pvb以及由外接電容引入的零點ζε。當負載電流變化時，環帶內零極點位置將發生變化，進而造成環路增益及單位增益帶寬發生變化。由于外接電容引入的零點位置固定，負載變化導致的極點位置變化將影響系統的瞬態響應并造成穩定性問題。圖2示出的是本發明提供的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的低壓差線性穩壓器電路示意圖。圖2較圖1增加了負載檢測電路及動態零點補償電路:在電壓緩沖器與低壓差線性穩壓器輸出端加入負載檢測電路以及在誤差放大器與低壓差線性穩壓器輸出端加入動態零點補償電路。在本發明中，負載檢測電路將檢測負載電流的變化，進而控制動態零點補償電路產生動態零點zD跟蹤并補償掉第一非主極點ρΕΑ，另外一個非主極點Pvb可以由外接電容生成的零點％補償，從而使整個系統相當于單主極點系統，不存在穩定性問題，并且單位增益帶寬被增大，加速了電路的瞬態響應。圖2示出的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，包括誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PM0S、第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2，該誤差放大器用以比較基準電壓Vkef及該線性穩壓器輸入的反饋電壓Vf，并生成控制信號來調節該功率管PMOS ；電壓緩沖器連接于該誤差放大器與功率管PMOS之間，用以驅動功率PMOS大的柵電容，加快反應速度；反饋電阻Rfl及Rf2連接于該線性穩壓器的輸出端與誤差放大器之間，用以產生反饋電壓Vf，供誤差放大器使用；該線性穩壓器還包括:連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該電壓緩沖器之間的一負載檢測電路，以及連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該誤差放大器之間的一動態零點補償電路；其中，該負載檢測電路用于檢測負載電流的變化，進而控制該動態零點補償電路產生動態零點zD跟蹤并補償掉該線性穩壓器的第一非主極點PEA，該線性穩壓器的第二非主極點Pvb由外接電容生成的零點Ze補償。其中，該負載檢測電路進一步用于檢測該功率管PMOS與該線性穩壓器的輸出端Vwt之間的壓差，從而判斷負載大小。該負載檢測電路的兩輸入端分別連接于該電壓緩沖器的輸出端及該線性穩壓器的輸出端Vwt，該負載檢測電路的輸出端連接于該動態零點補償電路。該動態零點補償電路由具有固定值的電阻及壓控可變電容串聯構成，或者由具有固定值的電容及壓控可變電阻串聯構成。該動態零點補償電路進一步用于根據該負載檢測電路的輸出信號調整零點位置，對帶內零極點進行補償調整。該動態零點補償電路的輸入端連接于該負載檢測電路的輸出端，該動態零點補償電路的輸出端連接于該電壓緩沖器的輸入端。該動態零點補償電路進一步根據負載檢測電路提供信號對帶內零極點進行補償調整，從而達到該線性穩壓器對不同負載情況穩定的目的，降低對片外耦合電容的要求。圖3示出的是傳統低壓差線性穩壓器及本發明的零極點分布對比波特圖。在圖3中示意性的給出了傳統低壓差線性穩壓器及本發明的零極點隨著負載電流變化的分布對t匕。可以看到，隨著負載由小變大，主極點Pd及非主極點Pea將向高頻移動同時環路增益將降低。由于片外電容生成的零點位置固定，對非主極點補償能力有限，因此隨負載變化很容易出現穩定性問題。同時可以看到，單位增益帶寬隨負載變化顯著變化從而導致瞬態響應能力差。本發明引入的負載檢測及動態零點補償電路可以精確跟蹤并補償第一非主極點Pea，保證了系統的穩定性。由于環路單位增益頻率與瞬態響應能力直接相關，從圖3中可以看到，將片外電容生成的零點％移向低頻，可以大大增加環路的單位增益帶寬，從而顯著加快了電路對負載的瞬態響應能力。圖4示出的是一種具體的電路實現方式。如圖所示，PMOS管Md為負載檢測管；NM0S管Mz及Ce構成動態零點補償電路。通過調控Mz的柵壓調節其溝道電阻從而實現動態零點。PMOS管Md以一定系數k (本例中為1/200)復制功率PMOS管Mp的電流，并通過PMOS管M^s調節Mz柵壓以保證Mz工作在線性電阻區。本發明利用0.2μπι SOI CMOS工藝投片并測試。測試結果顯示:本發明較傳統結構低壓差線性穩壓器在負載瞬態響應方面有明顯改進；在負載電流陡變過程中產生的電壓尖脈沖也遠遠小于傳統結構。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍 之內。
權利要求
1.一種具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，包括誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PMOS、第一反饋電阻Rfl和第二反饋電阻Rf2，該誤差放大器用以比較基準電壓Vkef及該線性穩壓器輸入的反饋電壓Vf，并生成控制信號來調節該功率管PMOS ；電壓緩沖器連接于該誤差放大器與功率管PMOS之間，用以驅動功率PMOS大的柵電容，加快反應速度；反饋電阻Rfl及Rf2連接于該線性穩壓器的輸出端與誤差放大器之間，用以產生反饋電壓Vf，供誤差放大器使用；其特征在于，該線性穩壓器還包括: 連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該電壓緩沖器之間的一負載檢測電路，以及連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該誤差放大器之間的一動態零點補償電路；其中，該負載檢測電路用于檢測負載電流的變化，進而控制該動態零點補償電路產生動態零點zD跟蹤并補償掉該線性穩壓器的第一非主極點PEA。
2.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該負載檢測電路進一步用于檢測該功率管PMOS與該線性穩壓器的輸出端Vwt之間的壓差，從而判斷負載大小。
3.根據權利要求2所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該負載檢測電路的兩輸入端分別連接于該電壓緩沖器的輸出端及該線性穩壓器的輸出端V-，該負載檢測電路的輸出端連接于該動態零點補償電路。
4.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該動態零點補償電路由具有固定值的電阻及壓控可變電容串聯構成，或者由具有固定值的電容及壓控可變電阻串聯構成。
5.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該動態零點補償電路進一步用于根據該負載檢測電路的輸出信號調整零點位置，對帶內零極點進行補償調整。
6.根據權利要求5所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該動態零點補償電路的輸入端連接于該負載檢測電路的輸出端，該動態零點補償電路的輸出端連接于該電壓緩沖器的輸入端。
7.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該動態零點補償電路進一步根據負載檢測電路提供信號對帶內零極點進行補償調整，從而達到該線性穩壓器對不同負載情況穩定的目的，降低對片外耦合電容的要求。
8.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于，該線性穩壓器的第二非主極點Pvb由外接電容生成的零點Ze補償。
9.根據權利要求1所述的具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，其特征在于， 該誤差放大器的兩輸入端分別為基準電壓Vref及負反饋電壓Vf，該誤差放大器的輸出端連接到該電壓緩沖器輸入端及該動態零點補償電路； 該電壓緩沖器的輸入端連接到該誤差放大器的輸出端，該電壓緩沖器的輸出端連接到該功率管PMOS的柵極以及該負載檢測電路的輸入端； 該功率管PMOS的柵極連接于該電壓緩沖器的輸出端，該功率管PMOS的源極連接于電源Vin，該功率管PMOS的漏極連接于該第一反饋電阻Rfl的一端。
全文摘要
本發明公開了一種具有負載檢測電路及動態零點補償電路的線性穩壓器，包括誤差放大器、電壓緩沖器、功率管PMOS、第一反饋電阻Rf1和第二反饋電阻Rf2、連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該電壓緩沖器之間的一負載檢測電路，以及連接于該低壓差線性穩壓器輸出端與該誤差放大器之間的一動態零點補償電路。其中，該負載檢測電路用于檢測負載電流的變化，進而控制該動態零點補償電路產生動態零點zD跟蹤并補償掉該線性穩壓器的第一非主極點pEA。這種動態補償技術使得低壓差線性穩壓器較常規結構具有對負載變化更好的瞬態響應性能以及小的電壓尖脈沖。負載檢測電路及動態零點補償電路并無靜態功耗，對整個低壓差線性穩壓器的電流效率無影響。
文檔編號G05F1/565GK103105883SQ20111035670
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者喬寧, 于芳, 趙凱, 高見頭 申請人:中國科學院微電子研究所