[發明專利]一種低功耗高瞬態LDO電路

有效

• 申請號: 202111678635.3
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN114138044B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 劉素娟;劉堃;解堯明
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種低功耗高瞬態LDO電路,其特征在于：低功耗高瞬態LDO系統輸入電源信號VDD和GND、輸入基準電壓V_ref，輸出信號V_OUT；

M_i1、M_i2、M_i6、M_i9、M_i10、M_i13、M_i14、M_i17、M_i18、M_i19、M_i23、M_i24、M₁、M₂、M₆、M₇、M₈、M₉、M₁₃、M₁₅、M₁₆、M_P為PMOS晶體管；M_i3、M_i4、M_i5、M_i7、M_i8、M_i11、M_i12、M_i15、M_i16、M_i20、M_i21、M_i22、M_i25、M_i26、M₃、M₄、M₅、M₁₀、M₁₁、M₁₂、M₁₄、M₁₇、M₁₈、M_D為NMOS晶體管；其中M_i1、M_i2、M_i6、M_i9、M_i17、M_i18、M_i19、M_i23、M₁、M₂、M₆、M₇、M₁₃、M₁₅的源級與VDD相連，M_P的漏極與VDD相連；M_i4、M_i5、M_i8、M_i12、M_i16、M_i20、M_i22、M_i26、M₅、M₁₀、M₁₁、M₁₂、M₁₄、M₁₈、M_D的源級與GND相連；所有PMOS晶體管的襯底均接VDD，所有NMOS晶體管的襯底均接GND；

M_i1的漏極與柵極短接并與M_i2的柵極、M_i6的柵極和M_i3的漏極相連；M_i14的柵漏短接并與M_i2的漏極和M_i3的柵極相連；M_i5的柵漏短接與M_i3的源級相連；M₇與M_i8均柵漏短接，M_i7的柵極與M_i6的源級、M_i11的柵極相連，M_i8的柵極與M_i7的源級、M_i12的柵極、M_i16的柵極相連；M_i9與M_i10為柵漏短接的形式，M_i9的柵極與M_i10的源級、M_i13的柵極相連，M_i10的柵極與M_i11的漏極和M_i14的柵極相連，M_i11的源級與M_i12的漏極相連；檢測電容C₁和C₂的一端接V_OUT，即LDO的輸出端，以檢測輸出電壓的欠壓和過沖；C₁的另一端接M_i13的漏極、M_i14的源級和M_i17的柵極，C₂的另一端接N_i16的漏極、N_i15的源級和N_i20的柵極；N_i14的漏極和N_i15的漏極相連；M_i19的柵漏短接并與M_i20的漏極、M_i18的柵極相連；N_i17的漏極、M_i18的漏極、M_i21的漏極、N_i25的柵極相連形成biasn1；M_i21與M_i22的柵漏短接，M_i21的源級、M_i22的漏極和M_i26的柵極相連形成biasn；M_i25的源級和N_i26的漏極相連；M_i24、N_i23采用柵漏短接的結構，M_i24的柵極形成biasp1并與N_i25的漏極相連，M_i23的柵極形成biasp并與M_i24的源級相連；

M₁、M₁₀、M₆、M₁₂柵漏短接；M₁的柵極與M₂的柵極相連，M₁₀與M₁₁柵極相連；M₃的漏極與M₁的漏極相連，M₄的漏極與M₂的漏極相連，M₁₀的漏極與M₈的漏極相連，M₁₁的漏極與M₉的漏極相連；M₃和M₈的柵極接V_OUT，M₄和M₉的柵極接V_ref；M₅的柵極接bisan，M₅的漏極與M₃、M₄的源級相連；M₇的柵極接biasp，M₇的漏極與M₈、M₉的源級相連；M₆的柵極和漏極短接，與M₂的漏極、M₄的漏極、M₁₃的柵極相連，形成Rp；M₁₂的柵極和漏極短接，與M₁₁的漏極、M₉的漏極、M₁₄的柵極相連，形成Rn；M₁₃的漏極、M₁₄的漏極、M₁₆的漏極、M₁₇的漏極與M_P的柵極相連；M₁₅的柵極接biasp、M₁₆的柵極接biasp1；M₁₇的柵極接biasn1，M₁₈的柵極接biasn；M₁₅的漏極與M₁₆的源級相連，M₁₇的源級與M₁₈的漏極相連；M_D的柵極接Rn，M_P的源級與M_D的漏極相連，形成V_OUT。

2.根據權利要求1所述的電路，其特征在于：M_i1至M_i5作為亞閾值偏置部分為整個LDO提供最基本的電流偏置，在輸出負載無變化時保障整體電路工作在亞閾值狀態；M_i17和M_i20的柵極通過檢測電容感知V_OUT的變化，變化時提供補償電流；V_GSX為M_X晶體管的柵源電壓，μ為載流子遷移率，C_OX為晶體管單位面積的柵電容，V_TH為MOS晶體管的閾值電壓，I_DX為M_X晶體管的漏極電流，為晶體管M_X的寬長比；

(1)亞閾值偏置電路

偏置電路的最左端M_i1至M_i5構成亞閾值偏置，其中M_i14的寬長比是M_i13和M_i15的K倍，K為32倍，流過M_i14是和M_i15的漏源電流分別為I_Di4和I_Di5；且M_i13和M_i15分別工作在截至區與亞閾值區附近；

V_GSi4＝V_GSi3+V_GSi5??????????????(I

I_Di5＝I_Di4＝I_OUT??????????????(2)

其中，I_Di4和I_Di5均由亞閾值工作區的電流方程(3)確定；

式(3)中e為自然常數；ξ為亞閾值斜率因子，大于1小于3；I_D0由測量得到；V_T為工作在亞閾值時晶體管的閾值電壓；輸出的亞閾值電流I_OUT用上面三式方程聯合確定；

(2)補償電流

當V_OUT突然變化時，變化的V_OUT經檢測電容會產生高頻電流流入，電流的大小為檢測電容與電壓對時間微分的乘積；

C為檢測電容C₁和C₂的電容值；如V_OUT過沖時，檢測電容處產生電流，流經M_i14的電流增加，流經M_i15的電流減小；ΔV_GSi20為U_OUT的突變時，M_i20的柵源電壓變化量，ΔI_i20為產生的補償電流；

C_GSi20為M_i20柵極的寄生電容；I_i20為系統靜態時的亞閾值電流；當V_OUT不再變化時，M_i17和M_i20的柵壓將被緩慢復位至靜態工作點，若輸出變化頻率較高，在柵極電壓未完全復位時V_OUT再次出現變化，加強LDO的瞬態性能，實現對不同負載的自適應調整；檢測電容的電容值C越大，M_i20的寬長比越大，則產生的補償電流越大，代表LDO系統的帶寬和功率管柵極充放電電流越大，系統的瞬態響應越好；

(3)瞬態分析

首先對于欠壓考慮，欠壓的最大偏移V_dip和系統的調整時間Δt_dip由式(7)和式(8)決定，其中C_P為功率調整管的柵極電容，ΔI_OUT為負載電流的變化量，ΔV_P為所需調整柵壓電壓的變化量，I_SR+為充電電流，I_SR-為放電電流，BW為系統的閉環帶寬，C_L為負載電容；

與之相對的系統過沖時最大偏移V_peak和調整時間Δt_peak如下：

考慮到各級的輸入輸出阻抗，將開環的傳遞函數寫成如下的表達式(11)；g_mX為M_X晶體管的跨導，C_gdX為M_X晶體管柵極和漏極之間的寄生電容，C_gsX為M_X晶體管柵極和源極之間的寄生電容，R為負載阻抗，r_oX為晶體管M_X的小信號輸出電阻,C_L為負載電容,C_E為M₁和M₂晶體管柵極的對地電容；V_IN-為將環路斷開后的電壓負反饋的輸入信號；s為拉普拉斯變換后的復頻率參變量；

在第一級的小信號中，通過對M₁和M₂引入為3:4的失配去提升V_OUT1的電壓，即M₁和M₂的寬長比之比為3:4，使得第二級運放靜態時工作在亞閾值區，最大程度的減小功耗；在第一級的輸出節點采用了動態極點補償，即通過二極管形式連接的M₆，隨著輸出電流的變化動態降低此級的輸出電阻，進行動態的頻率補償。