一種具有快速負載瞬態響應的線性穩壓電路的制作方法

本發明屬于電源管理技術領域，具體涉及一種具有快速負載瞬態響應的線性穩壓電路。

背景技術：

隨著電子技術的快速發展，開關電源向著低電壓大電流方向發展，低壓電源變換器的研究與應用成為日益重要的發展方向。對于5v轉3v的變換器的設計，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壓器(ldo)，相對于p管作為功率管的低壓差線性穩壓器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壓器的輸出電阻為1/gm,n，(其中gm,n為n型功率管的跨導)環路帶寬較大，瞬態響應速度較p管作為功率管的低壓差線性穩壓器更快。在低壓高速數字電路的應用中，當開關頻率很高時，即負載電流變換的di/dt非常大，為了保證數字電路的可靠性工作，要求供電模塊具有很快的響應速度以及帶載能力。

傳統的片上電容低壓差線性穩壓器ldo結構有限的環路帶寬限制了它的最大響應速度，當負載從輕載快速切換到重載時，輸出電壓的變化量δvout大時可能使數字電路無法正常工作，而帶片外大電容的低壓差線性穩壓器ldo由于片外大電容的存在，使得電路的集成度很難提升，且為了保證環路的穩定性，對片外電容的選取有一定的要求，因此傳統的低壓差線性穩壓器ldo很難應用于這一類的高速數字電路。

技術實現要素：

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

本發明的技術方案為：

一種具有快速負載瞬態響應的線性穩壓電路，包括鉗位運放電路和緩沖輸出級電路，所述鉗位運放電路的輸入端輸入基準電壓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和自適應調整電路，

第一pnp三極管pnp1的基極通過第三電阻r3后接所述鉗位運放電路的輸出端，其發射極接第三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的發射極通過第六電阻r6和輸出電容cout的并聯結構后接地，其集電極接電源電壓；

所述自適應調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，其串聯點接第四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的發射極接第一npn三極管npn1的發射極，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的漏極并通過補償電容c1后接地；

第一電阻r1和第二電阻r2串聯，其串聯點連接第二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。

本發明的有益效果為：本發明的線性穩壓電路采用鉗位運放電路得到與需要的電壓大小相等的電壓作為一個參考電壓，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，在簡化電路結構復雜性的同時，有效的實現了快速的負載瞬態響應以及較小的輸出電壓變化量δvout；本發明提供的線性穩壓電路的輸出電壓并沒有反饋回鉗位運放的輸入，系統不存在調整環路，帶寬不再受限制，因此瞬態響應的速度非常快；加入自適應調整電路，使得輸出電壓在全負載范圍內的變化量減小很多，其帶載能力也有所增強。

附圖說明

圖1為本發明提出的線性穩壓電路等效架構圖；

圖2為本發明提出的一種具有快速負載瞬態響應的線性穩壓電路的實際電路圖；

圖3為本發明電路與傳統低壓差線性穩壓器ldo瞬態響應波形圖對比；

圖4(a)為在有自適應調整電路和無自適應調整電路時輸出電壓隨負載電流的變化曲線；

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

圖5為全負載(io＝0～10ma)范圍內輸出電壓的變化量△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取值的關系曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式詳細描述本發明。

如圖1所示為本發明提出的線性穩壓電路等效架構圖，本發明提供的線性穩壓電路可以應用于數字負載，利用鉗位運放結合緩沖器(buffer)給數字負載供電，由于系統不存在調整反饋環，是一個開環的系統，瞬態響應速度不再受環路帶寬的限制，大大提高了負載瞬態響應的速度。為了保證輸出電壓的變化量δvout盡量小，滿足數字負載電路的供電要求，緩沖器buffer電路的設計尤為重要。

本發明提出的具有快速負載瞬態響應的線性穩壓電路如圖2所示，由兩部分組成，鉗位運放電路和緩沖輸出級電路，鉗位運放電路的輸入端輸入基準電壓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和自適應調整電路，第一pnp三極管pnp1的基極通過第三電阻r3后接鉗位運放電路的輸出端，其發射極接第三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的發射極通過第六電阻r6和輸出電容cout的并聯結構后接地，其集電極接電源電壓；自適應調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，其串聯點接第四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的發射極接第一npn三極管npn1的發射極，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的漏極并通過補償電容c1后接地；第一電阻r1和第二電阻r2串聯，其串聯點連接第二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。

一些實施例中輸出電平cout為100pf，可以實現電路的片上集成，不需要再外掛電容。

鉗位運放部分由差分放大器、跟隨器以及電阻反饋網絡構成，根據負反饋原理，可得vb＝vref(r1+r2)/r2，其中vb為圖2中b點電壓，即鉗位運放電路的輸出電壓。由于vb不需要驅動大的電流負載，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，其優點在于易于補償。電容c1為補償電容，其兩個極點為

p1＝1/(ro,mp2//ro,mn2)c1

p2＝gm,mn/cl

其中cl為鉗位運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，單位增益頻率內只有一個極點，滿足環路相位裕度>45°。另外采用源隨nmos管mn作為鉗位運放電路的輸出級，具有更好的電源抑制比(psrr)。在環路帶寬內，高的環路增益抑制了電源擾動對輸出的影響，高頻處，受限于環路帶寬，源隨nmos管mn的柵端不受電源電壓擾動的影響，同時mn管為源隨結構，其源端電壓不受電源電壓的影響，因此該鉗位運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需要提供大的負載電流，第三npn三極管npn3的尺寸必須足夠大，其最優尺寸根據負載電流、電流放大倍數β與電流密度關系曲線進行選擇。第三npn三極管npn3在工作時，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，同時作為第一pnp三極管pnp1的負載，根據圖2所示電路可得

其中為負載電流，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。令當負載電流較小時，δv＝>0，那么vout＝vb+δv>vb；當負載電流較大時，δv<0，vout＝vb+δv<vb。第三pmos管mp3所能提供的電流是有限的，當負載從輕載跳變到重載時，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在全負載范圍內δvout較小，需要提供更大的偏置電流，這將導致靜態功耗的增加。因此本文中增加了自適應調整電路，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，當負載瞬態做大的跳變時，起到瞬態增強的效果，瞬態增強的關鍵在于第二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管的發射極電流，id,mp4為mp4管的漏電流。負載電流較小時，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的發射極面積，和分別為mp3和mp4管的寬長比，則δvbe，pnp2-pnp1≈0，此時vbe,npn2＝vbe，npn1-r5id,mn4<vbe。當負載電流增大時，減小，δvbe，pnp2-pnp1增大，vbe,npn2隨負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，相對于無自適應調整電路，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的發射極電壓vc隨負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：

在全負載范圍內，由式(1)和(4)可得

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

假設重載下負載電流對應的輸出電壓vout的最大變化量為根據上式可解出此時第二npn三極管npn2的發射極電流ie，npn2，再由ie，npn2與第五電阻r5的關系式解出對應的r5max，那么在重載下負載電流的條件下滿足δvout≤δvoutmax，則第五電阻r5的選擇應滿足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形成達林頓結構，其電流放大能力得到有效的增強。

圖3為本發明電路與傳統低壓差線性穩壓器ldo瞬態響應波形圖，與傳統的低壓差線性穩壓器ldo瞬態響應有所區別，原因在于傳統的低壓差線性穩壓器ldo是一個閉環的系統，輸出電壓反饋到誤差放大器的輸出端，當系統響應完成之后輸出電壓可以被鉗回到原來的值，而上述結構的低壓差線性穩壓器ldo輸出電壓并沒有反饋回鉗位運放的輸入，系統不存在調整環路，帶寬不再受限制，因此瞬態響應的速度非常快，負載調整主要取決于第三npn三極管npn3的i-v關系。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壓器ldo的線性穩壓電路的輸出電壓的變化量δvout小于傳統ldo電路中輸出電壓的變化量δvout的值。圖4(a)為有自適應調整電路和無自適應調整電路的輸出電壓隨負載電流的變化曲線，可以看出，加入自適應調整電路之后，輸出電壓在全負載范圍內的變化量減小很多，其帶載能力也有所增強。圖4(b)為負載瞬態100ns跳變情況下輸出電壓vout的變化曲線，圖5為全負載(io＝0～10ma)范圍內△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取值的關系曲線。

本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。