一种兼具拉电流和灌电流能力的LDO电路

本发明属于模拟集成电路，具体涉及一种兼具拉电流和灌电流能力的ldo电路。

背景技术：

1、ldo(低压差线性稳压器)是当今电子设备系统中最常见的电源管理芯片之一，其高性能和可靠性已经成为电子系统的核心。更好的驱动能力一直是ldo的研究热点和发展趋势之一，电子设备的系统越来越复杂，功能也越来越完备，更加复杂的功能模块导致对电能的总体需求在不断上升，因此对ldo 的带载能力要求也越来越高。

2、在产品应用方面，德州仪器(ti)和亚德诺半导体(adi)等集成电路的巨头企业在低压线性稳压器的研究上有很多成果，ti公司推出的tlv767是一款大电流负载的ldo芯片，其最大电流负载达到1a；adi公司推出的lt1963芯片，能输出最大1.5a的电流；西北大学李中伟团队实现了一款为ddr sdram(double data rate synchronous dynamic random-access memory，双倍速率同步动态随机存储器)供电的具有2a拉灌电流能力的ldo；但这些芯片带宽不大，瞬态响应性能仍有一定的优化空间。

3、在学术研究方面，文献[吕文召. 高可靠拉灌大电流快速瞬态响应ldo的研究与设计[d]. 湖南大学，2021]使用两个nmos功率管实现ldo电路的拉灌电流能力，可实现最大3a的输出电流，其中的误差放大器使用cascode(共源共栅)结构获得足够的增益，并使用嵌套式密勒补偿来分离主次极点满足稳定性要求，使ldo在1m~3a负载范围内均能获得良好的稳定性；但由于其使用了cascode结构，电路需要消耗更多的电压裕度，ldo无法在低电源电压情况下工作，对最低电源电压有一定的要求。文献[黄冲. 兼备sink和source型大电流线性稳压器的设计[d]. 西安电子科技大学, 2013]中的误差放大器使用两级结构，第一级放大器采用折叠式共源共栅结构实现对电压信号的放大，第二级使用改进型推挽式结构驱动两个nmos功率管实现ldo电路的拉灌电流能力，可实现最大2a的输出电流；但由于其内部极点频率较低，为满足稳定性，片外无法设置大电容，导致输出电流变化时ldo的瞬态响应性能较差。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种兼具拉电流和灌电流能力的ldo电路，其使用gm驱动型误差放大器，为负载提供拉电流和灌电流的同时实现更高的带宽，提高了电路的瞬态响应特性。

2、一种兼具拉电流和灌电流能力的ldo电路，包括输入级模块、电流处理模块、功率管模块和补偿模块，其中输入级模块用于计算基准电压与反馈电压(即输出电压通过单位增益负反馈的形式得到)的误差并将其转换为误差电流；电流处理模块用于对该误差电流进行运算放大后输出到功率管模块中；功率管模块由两组功率管组成，分别对输出节点提供拉电流和灌电流的能力，并将输出电压反馈给输入级模块中；补偿模块使用对称电流镜密勒补偿结构对ldo电路的频率特性进行补偿，实现对不同负载条件下输出电压的稳定调控。

3、进一步地，所述输入级模块包括一个pmos管m0、两个pnp三极管q1~q2、两个npn三极管q3~q4、四个电阻r1~r4以及两个电流源i1~i2，其中m0的源极接电源电压，m0的栅极外接偏置电压，m0的漏极与r1的一端以及r2的一端相连，r1的另一端与q1的发射极相连，r2的另一端与q2的发射极相连，q1的基极接基准电压，q2的基极接反馈电压，q1的集电极与q3的集电极、q3的基极以及i1的输入端相连生成误差电流iq3，q2的集电极与q4的集电极、q4的基极以及i2的输入端相连生成误差电流iq4，q3的发射极与r3的一端相连，q4的发射极与r4的一端相连，r3的另一端与r4的另一端、i1的输出端以及i2的输出端相连并接地。

4、进一步地，所述电流处理模块包括：

5、电流求和模块，用于对输入级模块生成的两路误差电流iq3、iq4进行求和平均后得到平均电流信号；

6、电流求差模块，用于将平均电流信号分别与误差电流iq3、iq4做差，对应得到两路电流信号i2h和i2l；

7、多路电流镜像模块，用于对电流信号i2h和i2l进行拷贝和非线性放大，对应两路电流信号i3h和i3l。

8、进一步地，所述电流求和模块包括两个pmos管m5~m6、两个npn三极管q5~q6以及两个电阻r5~r6，其中m5的源极与m6的源极相连并接电源电压，m5的漏极与m5的栅极、q5的集电极、m6的漏极、m5的栅极以及q6的集电极相连生成平均电流信号，q5的基极接误差电流iq3，q6的基极接误差电流iq4，q5的发射极与r5的一端相连，q6的发射极与r6的一端相连，r5的另一端与r6的另一端相连并接地。

9、进一步地，所述电流求差模块包括四个pmos管m7~m10、四个npn三极管q7~q10以及四个电阻r7~r10，其中m7的源极与m8的源极、m9的源极以及m10的源极相连并接电源电压，m7的栅极与m8的栅极相连并接平均电流信号，m9的栅极与m7的漏极、q7的集电极、q9的集电极以及m9的漏极相连生成电流信号i2l，q7的基极与q9的基极并接误差电流iq3，q7的发射极与r7的一端相连，q9的发射极与r9的一端相连，m10的栅极与m8的漏极、q8的集电极、q10的集电极以及m10的漏极相连生成电流信号i2h，q8的基极与q10的基极并接误差电流iq4，q8的发射极与r8的一端相连，q10的发射极与r10的一端相连，r7的另一端与r8的另一端、r9的另一端以及r10的另一端相连并接地。

10、进一步地，所述多路电流镜像模块包括六个pmos管m11、m12、m17~m20、六个nmos管m21、m22、m13~m16以及六个电阻r11~r16，其中m11的源极与m12的源极、m19的源极、m20的源极、r11的一端以及r12的一端相连并接电源电压，m11的栅极接电流信号i2l，r11的另一端与m17的源极相连，m17的栅极与m19的栅极以及r13的一端相连，r13的另一端与m17的漏极以及m15的漏极相连，m19的漏极与m21的漏极以及m21的栅极相连生成电流信号i3l，m21的源极与r15的一端相连，m11的漏极与m13的漏极、m13的栅极以及m15的栅极相连，m12的栅极接电流信号i2h，r12的另一端与m18的源极相连，m18的栅极与m20的栅极以及r14的一端相连，r14的另一端与m18的漏极以及m16的漏极相连，m20的漏极与m22的漏极以及m22的栅极相连生成电流信号i3h，m22的源极与r16的一端相连，r16的另一端接输出电压，m12的漏极与m14的漏极、m14的栅极以及m16的栅极相连，m16的源极与m14的源极、m13的源极、m15的源极以及r15的另一端相连并接地。

11、优选地，所述多路电流镜像模块还包含有死区控制电路，其由两个偏置电流源i5和i6组成，i5的输入端与m11的漏极相连，i6的输入端与m12的漏极相连，i5的输出端与i6的输出端相连并接地；通过设置了一定的死区电流，能够避免因电流拷贝偏差导致的高低边功率管同时导通。

12、进一步地，所述补偿模块包括四个pmos管m1~m4、两个电流源i3~i4以及电容c1，其中m1的源极与m2的源极、m3的源极以及m4的源极相连并接电源电压，m3的栅极与m1的栅极、m3的漏极以及i3的输入端相连，m1的漏极接误差电流iq3，m4的栅极与m2的栅极、m4的漏极、c1的一端以及i4的输入端相连，m2的漏极接误差电流iq4，c1的另一端接输出电压，i3的输出端与i4的输出端相连并接地。

13、进一步地，所述功率管模块包括高边功率管和低边功率管，其中高边功率管的栅极接电流信号i3h，高边功率管的漏极接供电电压，高边功率管的源极与低边功率管的漏极相连并产生输出电压，低边功率管的栅极接电流信号i3l，低边功率管的源极接地。

14、基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

15、1. 带载能力强；本发明使用高边功率管和低边功率管分别为负载提供最高3a的拉电流和灌电流，具有较强的带载能力。

16、2. 瞬态响应速度快；本发明使用gm驱动型误差放大器，电路带宽很大，系统具有较快的瞬态响应速度。

17、3. 输出电压稳定；本发明中电路内部非主极点频率均较高，相位裕度较大，能在宽负载范围内稳定输出额定电压。