[發明專利]基于電流控制環路的低輸出電壓快速響應LDO電路

無效

• 申請號: 201010209995.4
• 申請日: 2010-06-28
• 公開（公告）號: CN102298407A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 馬卓;張民選;謝倫國;李少青;趙振宇;郭陽;陳吉華;王麗萍;段志奎;王志鵬;吳了;何小威;孫巖;樂大珩
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于集成電路設計領域，用于低壓降穩壓電路(Low-dropout?Regulator，LDO)的設計，具體涉及一種利用電流控制環路提高LDO瞬態響應能力的電路結構。

背景技術

電源類集成電路是電子系統不可缺少的組成部分。低壓降穩壓器LDO作為電源類集成電路的一種，因其使用靈活、受電源電壓影響小、輸出紋波小等優勢而得到廣泛的應用。圖1A是一種典型的LDO電路結構，采用電阻網絡采樣與運算放大器(Operational?Amplifier，OP)放大誤差電壓。這是一種典型的二階環路，圖1B是該環路的傳輸模型。

盡管LDO有眾多的優點，但仍然有幾個方面的問題限制了LDO的使用，其中較為突出的就是瞬態響應的問題。圖1C是典型LDO電路在負載階躍變化時的輸出電壓波形。典型LDO電路對負載的瞬態變化的響應能力有限，導致LDO的輸出電壓出現較大的波動。決定瞬態響應能力的主要因素來源于LDO環路的阻尼因子ζ和固有頻率ω_n，二者的乘積決定環路系統的時間常數。由于LDO中功率管面積較大，其柵電容的容值相應的較大，例如在0.35μm工藝下10000μm寬度的功率管的柵電容就可達50pF以上，這是導致環路時間常數過大的重要因素之一。此外，常見的LDO結構的基準參考電壓來自于1.23V輸出的帶隙基準電壓源，1.23V的帶隙基準電壓限制了輸出電壓的范圍，無法產生低于1V的電壓輸出。

對于LDO電路而言，負載能力決定了功率管的尺寸，基準參考電位又限制了輸出電壓的高低，因此提高LDO電路對負載瞬態變化的響應能力，實現較低的電壓輸出，必須克服LDO電路本身的固有問題，以新的電路結構來實現低電壓和快速響應的目標。

發明內容

如前文所述，典型的LDO電路對負載瞬態變化缺乏足夠快的響應，且無法產生低于參考基準電壓的輸出。針對這個問題，本發明公開了一種基于電流控制環路的低輸出電壓快速響應LDO電路。圖2是該LDO的功能結構示意圖，其主要的技術思想為：

1.對輸出電壓的采樣方式由電阻網絡采樣改為電壓緩沖器直接采樣；典型LDO電路使用電阻網絡采樣輸出電壓，采樣精度受電阻網絡比例精度的限制，特別是使用片外分立電阻元件時，采樣精度無法保證，在本文公開的LDO電路中使用電壓緩沖器采樣輸出電壓，具有很高的采樣精度；

2.對采樣電壓進行“電壓-電流”的轉換，將轉換后的電流信號作為環路的運算信號載體；典型LDO電路中使用電壓信號作為環路的運算物理量，而電流信號無論在響應速度還是控制精度上都優于電壓信號；

3.引入基準參考電流作為環路的基準源，使用電流求差的方式進行誤差求??；電流信號可以使用簡單的節點電流求差的方式進行誤差電流求取，較之典型LDO電路中的誤差電壓放大更精確，響應更迅速；

4.用跨導放大器(Operational?Transconductance?Amplifier，OTA)取代運算放大器OP成為核心誤差放大器，實現對誤差電流的放大；

5.利用環路濾波器對誤差電流進行積分，并形成對功率管的控制電壓；具有低通特性的環路濾波器能夠有效濾除參考電流和外部的高頻干擾，在保證環路響應速度的前提下能有效提高環路的穩定性，減小輸出紋波；

6.利用電流信號參與運算，避免由基準參考電壓引入的輸出電壓限制，可以產生較低的輸出電壓。

基于圖2的功能結構示意圖，本文提出的基于電流控制環路的低輸出電壓快速響應LDO的電路圖如圖3所示。其技術優勢主要體現在如下幾個方面：

1.利用運算放大器對輸出電壓進行采樣，采樣精度較高，而且利用電阻R₀和R₁的不同比例可以實現對超低輸出電壓的采樣；

2.將采樣電壓轉換成電流信號與基準參考電流信號進行運算，電流信號響應速度更快，控制精確；

3.差值電流僅驅動跨導放大器OTA內部源極跟隨器的柵極電容，響應迅速；

4.差值電流經內部源極跟隨器放大，驅動環路濾波器，具有低通屬性的環路濾波器可以濾除環路的高頻信號，提高環路穩定性；

5.由于功率管的尺寸通常較大，其柵電容的容值也相應較大，因此一般可以利用功率管的柵電容充當環路濾波電容，從而可以簡化電路結構；

6.輸出電壓不受基準參考電壓的限制，可以實現超低電壓輸出。

附圖說明

圖1典型LDO的電路結構(A)、環路模型(B)和瞬態響應的輸出電壓波形(C)；