一种无片外电容快速瞬态响应LDO电路

本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种无片外电容快速瞬态响应ldo电路。

背景技术：

1、ldo的瞬态响应性能主要体现在系统的响应时间和输出电压产生的波动幅度大小上，由于ldo的负载多样化，其输出端负载电流将随着负载的变化而发生突变，这往往在极短的时间完成，需要ldo能够对负载电流的突变快速做出调整，以保证系统稳定工作。ldo的瞬态响应性能与环路带宽、增益、功率管栅极的压摆率有关，增加环路带宽能够减小系统响应时间，但是这会影响系统稳定性，且静态功耗也会增加。增大功率管栅极压摆率能够提高ldo响应速度，但是大尺寸的功率管在其栅极会带来较大的寄生电容，这又会限制ldo的响应时间。如何在不影响系统其他性能的情况下提升ldo的瞬态响应，也处在当前研究热点之中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无片外电容快速瞬态响应ldo电路，在没有片外电容的情况下优化瞬态响应，降低俯冲、过冲电压，提高响应速度，保证系统的稳定性。电路包括误差放大器、缓冲级电路、瞬态增强电路、功率管、反馈网络，以及采用miller补偿保证系统环路稳定性。本发明提供的ldo电路，输入电压范围1.8～3.3v，输出电压稳定在1.2v，电路的最大负载电流为30ma。当负载电流在1μs内从10μa突变到30ma时，输出端产生的俯冲电压为54mv，过冲电压为94mv，响应时间2.2μs。当频率为100hz时，轻载状态下系统的电源抑制比为-85db，重载状态下的电源抑制比为-73db。

2、本发明在ldo电路的基础上加入缓冲级电路，可以实现快速驱动功率管电流，另外给功率管栅极提供高转换率电流，使其栅极压摆率得到提升，缩短了功率管栅极寄生电容的充放电时间。此外，缓冲器具有较低的输入阻抗，因此可以将误差放大器输出端的极点频率提高。

3、本发明利用输出电压尖峰检测原理，改良设计了一款瞬态增强电路，通过对ldo电路输出电压变化的检测，及时响应到功率管栅极使其快速充放电来调整输出电流，从而降低输出的俯冲、过冲电压。

4、本发明提供的ldo电路结构框图如图1所示，包括误差放大器ea、缓冲级、补偿电路、瞬态增强电路、pmos功率管mp，以及电阻rfb1、rfb2、rl和电容cl。误差放大器ea的负端接入带隙基准电压vref，正端接入反馈电压vfb，输出端连接缓冲级的输入端；缓冲级输出端与功率管mp栅极连接。瞬态增强电路的输入端与缓冲级的输出端(即功率管mp的栅极)连接，其输出端与ldo的输出端vout(即功率管的漏极)连接；mp的源极与电源电压vdd连接；补偿电路的输入端与误差放大器ea的输出端连接，输出端与ldo输出端vout连接。反馈电阻rfb1、rfb2组成反馈网络，其中rfb1第一端子与功率管mp源极连接，第二端子与反馈电阻rfb2第一端子连接；rfb2第一端子与误差放大器ea的正端连接，第二端子与地端连接。rl、cl的第一端子分别与输出端连接，rl、cl的第二端子分别与地端连接。

5、所述误差放大器ea和缓冲级可以采用通用电路。本发明提供了一个缓冲级优选电路，如图2中所示，包括5个pmos管(m1～m5)、3个nmos管(m6～m8)和1个电容cc。m1～m4的源级均连接电源电压vdd；m6～m8的源极以及cc的第二端子均连接地端gnd。m3、m4的栅极均与偏置电压vb1连接；m1的漏极、m3的漏极、m7的栅极、m8的栅极、m7的漏极之间相互连接；m1的栅极、m2的栅极、m2的漏极、m4的漏极、m5的源极、m6的漏极、mp的栅极之间相互连接(vg端)。m5栅极与补偿电容cz第一端子连接后作为本缓冲级输入端；m5的漏极、m6的栅极、m8的漏极、cc的第一端子之间相互连接。

6、所述补偿电路是在误差放大器ea的输出端和ldo电路的输出端vout之间引入miller补偿电容和调零电阻，保证系统环路的稳定性。

7、所述误差放大器优选采用折叠式共源共栅放大器，为双端输入、单端输出结构。

8、所述瞬态增强电路如图2所示，分为过冲抑制和俯冲抑制电路，包括6个pmos管(m9～m14)，8个nmos管(m15～m22)，3个电容(c1～c3)，2个电阻(r1～r2)。m9～m14及功率管mp的源极均连接到电源电压vdd；m15～m22的源极均连接到地端gnd。m9的栅极与偏置电压vb1连接；m9的漏极、m18的栅极、m18的漏极与m19的栅极相互连接；m10的栅极、m10的漏极、m11的栅极、m19的漏极与c1的第二端子相互连接；m11的漏极、m15的漏极与m16的栅极与r1的第二端子相互连接；m16的漏极和c3的第一端子均连接到mp的栅极；r1的第一端子、c2的第二端子与m15的栅极相互连接；c1的第一端子、c2的第一端子与m17的漏极均连接到输出端vout；m12的栅极与偏置电压vb1连接。m12的漏极、m20的漏极、m20的栅极、m22的栅极与r2的第一端子相互连接；r2的第二端子、c3的第二端子与m21的栅极相互连接；m13的栅极、m13的漏极、m14的栅极、m21的漏极相互连接；m14的漏极、m17的栅极、m22的漏极相互连接。

技术特征：

1.一种无片外电容快速瞬态响应ldo电路，包括误差放大器ea、缓冲级、补偿电路、瞬态增强电路和pmos功率管mp；误差放大器ea输出端连接到缓冲级的输入端，缓冲级的输出端连接到pmos功率管mp的栅极，补偿电路连接在误差放大器ea输出端和ldo电路的输出端vout之间，瞬态增强电路连接在pmos功率管mp的栅极和ldo电路的输出端vout之间，其特征在于，所述瞬态增强电路由过冲抑制电路和俯冲抑制电路构成，包括：pmos管m9、m10、m11、m12、m13和m14，nmos管m15、m16、m17、m18、m19、m20、m21和m22；m9～m14的源极以及pmos功率管mp的源极均连接到电源电压vdd，m15～m22的源极均连接到地端gnd；m9的栅极与偏置电压vb1连接；m18的栅极、m19的栅极、m9的漏极以及m18的漏极之间相互连接；m10的栅极、m11的栅极、m10的漏极、m19的漏极以及电容c1的第二端子之间相互连接；m11的漏极、m15的漏极、m16的栅极以及电阻r1的第二端子之间相互连接；m16的漏极和电容c3的第一端子均连接到pmos功率管mp的栅极；电阻r1的第一端子、电容c2的第二端子与m15的栅极相互连接；电容c1的第一端子、电容c2的第一端子、pmos功率管mp的漏极以及m17的漏极均连接到ldo电路的输出端vout；m12的栅极与偏置电压vb1连接；m12的漏极、m20的栅极、m20的漏极、m22的栅极以及电阻r2的第一端子之间相互连接；电阻r2的第二端子、电容c3的第二端子与m21的栅极相互连接；m13的栅极、m13的漏极、m14的栅极和m21的漏极之间相互连接；m14的漏极、m17的栅极与m22的漏极之间相互连接。

技术总结本发明公开了一种无片外电容快速瞬态响应LDO电路，所述电路包括误差放大器、缓冲级电路、瞬态增强电路、功率管、反馈网络以及用Miller补偿保证系统环路稳定性。为进一步增强电路的瞬态响应，利用输出电压尖峰检测原理，改良设计了一款瞬态增强电路，通过对LDO电路输出电压变化的检测，及时响应到功率管栅极使其快速充放电来调整输出电流，从而降低输出电压的俯冲、过冲电压。本发明具有响应速度快、俯冲和过冲电压低、稳定性高等优点。技术研发人员：蔡超波,邱雨,罗勇德,宋树祥,范晨影,覃玉鑫,王康林受保护的技术使用者：广西师范大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18