一種小面積和超低噪聲的ldo線性穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電源管理領(lǐng)域，尤其是涉及一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器。包括兩級(jí)調(diào)整模塊，分別是：前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊和后級(jí)調(diào)整模塊；所述前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊包括依次連接的誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和RC低通濾波器；所述后級(jí)調(diào)整模塊包括后級(jí)誤差放大器、PMOS調(diào)整管；前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊的輸出與后級(jí)調(diào)整模塊的輸入連接；所述后級(jí)調(diào)整模塊輸入連接負(fù)載電流源。本發(fā)明只需要使用很小的電容就可以保證低通濾波電路具有很低的截止頻率，從而將來(lái)自于基準(zhǔn)電壓源的噪聲過(guò)濾掉，使轉(zhuǎn)換后得到的電壓能夠超低噪聲輸出，同時(shí)在很大程度上減小了芯片面積和改善了電路的噪聲性能，同時(shí)能夠產(chǎn)生很高的電源抑制比。
【專利說(shuō)明】一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電源管理領(lǐng)域，尤其是涉及一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片系統(tǒng)的集成度和工作頻率不斷的升高，這樣就導(dǎo)致了芯片功耗的不斷升高，而高功耗帶來(lái)的各種問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響芯片的性能。因而，對(duì)一個(gè)芯片系統(tǒng)而言，電源管理部分的好壞很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。
[0003]LDO線性穩(wěn)壓器的芯片具有面積小、噪聲低、靜態(tài)電流小、外圍器件也少等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中。它不僅可以作為獨(dú)立的電源管理芯片為各種便攜式電子產(chǎn)品供電，更能夠與DC-DC開(kāi)關(guān)式電源結(jié)合，將二者的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，為顧客提供高效率且低噪聲的供電系統(tǒng)。然而，目前的電源管理芯片市場(chǎng)主要被國(guó)外公司占據(jù)，國(guó)內(nèi)的發(fā)展尚處于剛剛起步階段，因此開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LDO線性穩(wěn)壓器具有很大的意義。
[0004]便攜式產(chǎn)品的體積在不斷縮小，成本也在不斷降低，在保證性能的前提下，體積更小、成本更低、性能更好的產(chǎn)品必然更具競(jìng)爭(zhēng)力。如何使LDO線性穩(wěn)壓器集成電路的封裝尺寸越來(lái)越小、封裝厚度越來(lái)越薄、噪聲越來(lái)越小具有深遠(yuǎn)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種電容放大電路來(lái)減小使用的電容面積從而減小芯片的面積，并且在使用該小電路的情況下就能夠?qū)崿F(xiàn)LDO線性穩(wěn)壓器的超低噪聲輸出，極大的減小了芯片面積和改善了電路的噪聲性能，同時(shí)能夠產(chǎn)生很高的電源抑制比的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器。
[0006]本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的:
[0007]—種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，其特征在于，包括兩級(jí)調(diào)整模塊，分別是:前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊和后級(jí)調(diào)整模塊；所述前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊包括依次連接的誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和RC低通濾波器；所述后級(jí)調(diào)整模塊包括后級(jí)誤差放大器、PMOS調(diào)整管；前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊的輸出與后級(jí)調(diào)整模塊的輸入連接；所述后級(jí)調(diào)整模塊輸入連接負(fù)載電流源。
[0008]本發(fā)明創(chuàng)造性的在基準(zhǔn)電壓比較輸出后使用了噪聲濾波電路，將通過(guò)基準(zhǔn)電壓源后的噪聲大部分的濾除，從而可以實(shí)現(xiàn)裝置的超低噪聲輸出。一般的普通電路中由于所選頻帶的關(guān)系，為了使濾波效果更好，要求使用的濾波電容很大，這就增加的芯片的使用面積，在工程生產(chǎn)上難以實(shí)現(xiàn)。本結(jié)構(gòu)則克服了該困難，僅使用很小的電容就可以達(dá)到同樣的性能，從而極大的減少了芯片的占有面積，使工程生產(chǎn)變得可行。
[0009]本發(fā)明所提電路的結(jié)構(gòu)是在0.18um的工藝結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電路的仿真結(jié)果，當(dāng)該LDO線性穩(wěn)壓器裝置選用濾波電容大小為5pF時(shí)，在ΙΟΗζ-ΙΚΗζ的所選頻帶內(nèi)能夠達(dá)到25.5uV的輸出噪聲性能，在ΙΚΗζ-ΙΜΗζ的所選頻帶內(nèi)能夠達(dá)到56.4uV的輸出噪聲性能。同時(shí)，仿真結(jié)果表明該LDO線性穩(wěn)壓器裝置的電源抑制比PSR在所選頻帶為ΙΟΗζ-ΙΜΗζ范圍內(nèi)至少可以達(dá)到_30dB，而在低頻處則可以達(dá)到-70dB。
[0010]在上述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，所述誤差放大器的負(fù)相端接的是基準(zhǔn)電壓v,ef，正相端接在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電阻Rl和電阻R2之間，其中電阻Rl和電阻R2串聯(lián)，電阻Rl —端接PMOS調(diào)整管，另一端接電阻R2，電阻R2 —端接電阻Rl，另一端接地。誤差放大器的輸出端接有RC低通濾波器。
[0011]在上述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，所述RC低通濾波器包括電阻R和電容放大電路；所述電容放大電路包括小電容Cm、跨導(dǎo)為-Gm的跨導(dǎo)放大器以及電阻Rm ;其中，電阻R接誤差放大器輸出，電阻R另一端與跨導(dǎo)放大器相連，電容Cm與跨導(dǎo)放大器并聯(lián)后接電阻Rm，電阻Rm另一端與電阻R2連接后接地。通過(guò)此放大電路，可以將小電容Cm放大成大電容，與電阻R組成RC低通濾波器。
[0012]在上述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，所述后級(jí)誤差放大器的負(fù)相端接的是經(jīng)過(guò)低通濾波之后的前級(jí)預(yù)調(diào)整結(jié)構(gòu)的輸出，正相端與PMOS調(diào)整管的漏極相連為系統(tǒng)輸出，后級(jí)誤差放大器的輸出端接的是PMOS調(diào)整管的柵端。PMOS調(diào)整管的柵極與后級(jí)誤差放大器的輸出相連，源端接電源，漏端接負(fù)載電流源；負(fù)載電流源為模擬等效負(fù)載電流。
[0013]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)電路結(jié)構(gòu)中采用了兩級(jí)基準(zhǔn)源比較電路使基準(zhǔn)電壓更加精確，從而能夠使輸出電壓的精確度顯著提高；(2)前級(jí)預(yù)調(diào)整結(jié)構(gòu)電路中使用了濾波電路，使來(lái)自于帶隙基準(zhǔn)源的噪聲和來(lái)自電阻分壓上的噪聲得到了有效的抑制，從而使總的輸出噪聲得到減少；(3)前級(jí)預(yù)調(diào)整結(jié)構(gòu)中的濾波電路使用了電容放大裝置，我們只需要使用一個(gè)很小的電容通過(guò)跨導(dǎo)放大器放大后就能夠產(chǎn)生和大電容相同的效果，減少了芯片面積的使用，使電路的低占有率目的得到保證；(4)預(yù)調(diào)整后輸出的預(yù)調(diào)整基準(zhǔn)電壓源通過(guò)濾波電路后基本上不含噪聲，與傳統(tǒng)的LDO線性穩(wěn)壓器相比起來(lái)就不會(huì)導(dǎo)致噪聲通過(guò)第二級(jí)誤差放大器的放大作用，所以噪聲能夠得到有效的抑制；(5)第二級(jí)調(diào)整結(jié)構(gòu)中沒(méi)有使用電阻分壓裝置來(lái)采樣輸出電壓，從而避免了輸出端的電壓受到電阻噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)了電路的超低噪聲輸出；(6)本文所述的LDO線性穩(wěn)壓器裝置由于其超低噪聲的輸出，可以達(dá)到很高的電源抑制比，顯著的改善了電壓變換器的性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]附圖1是傳統(tǒng)的LDO線性變換器裝置的電路原理圖。
[0015]附圖2是傳統(tǒng)的LDO線性變換器裝置的噪聲分析原理圖。
[0016]附圖3是能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲但是卻不能夠解決芯片面積過(guò)大問(wèn)題的LDO線性變換器裝置的電路原理圖。
[0017]附圖4是本發(fā)明所述的改進(jìn)后的LDO線性變換器裝置的具體電路原理圖。
[0018]附圖5是所述LDO線性變換器裝置在ΙΟΗζ-ΙΚΗζ范圍內(nèi)采用不同大小電容的輸出噪聲變化的仿真結(jié)果圖。
[0019]附圖6是所述LDO線性變換器裝置在ΙΚΗζ-ΙΜΗζ范圍內(nèi)采用不同大小電容的輸出噪聲變化的仿真結(jié)果圖。
[0020]附圖7是所述LDO線性變換器裝置在ΙΟΗζ-ΙΜΗζ范圍內(nèi)其電源抑制比變化的仿真結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例:
[0023]圖1所示為傳統(tǒng)的LDO線性變換器裝置的基本原理圖，主要分為基準(zhǔn)電壓源(途中未給出)，誤差放大器、PMOS功率傳輸管和電阻分壓器采樣網(wǎng)絡(luò)。其中基準(zhǔn)電壓源的參考電壓由帶隙基準(zhǔn)給出。誤差放大器的一端接入基準(zhǔn)電壓源，另一端接入電阻分壓裝置的采樣電壓，差分輸入經(jīng)過(guò)誤差放大器后驅(qū)動(dòng)PMOS功率管，當(dāng)電路到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)得到所需要的輸出電壓。
[0024]圖2所示電路圖為傳統(tǒng)LDO線性變換器裝置的噪聲理論分析模型圖，其中主要噪聲來(lái)源于帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出噪聲V2n, Be，誤差放大器的輸入噪聲V2n, amp和電阻分壓器中電阻產(chǎn)生的熱噪聲v2n，E1和v2n，K2。
[0025]圖3所示的電路圖為一般的改進(jìn)后的LDO線性變換器裝置的電路原理圖，其電路分為預(yù)調(diào)整部分和調(diào)整部分兩級(jí)結(jié)構(gòu)。電路的預(yù)調(diào)整部分是由帶隙基準(zhǔn)緩沖器和R-C低通濾波電路組成，其中放大器的前端輸入帶隙基準(zhǔn)電壓源和電阻分壓器Rl和R2產(chǎn)生的采樣電壓，后端輸出預(yù)基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)R-C低通濾波電路的作用可以去除由帶隙基準(zhǔn)電壓源和放大器產(chǎn)生的噪聲，得到的預(yù)基準(zhǔn)電壓源作為后級(jí)電路的基準(zhǔn)輸入。電路的調(diào)整部分由誤差放大器和PMOS功率驅(qū)動(dòng)管組成。其中，誤差放大器的前端輸入為前級(jí)輸出的預(yù)基準(zhǔn)電壓源和以電壓跟隨方式采樣得到的輸出電壓，通過(guò)誤差放大器之后驅(qū)動(dòng)PMOS功率管得到所需要的輸出電壓。該結(jié)構(gòu)中的由于前級(jí)噪聲在低通濾波器的作用下得到了濾除，而后級(jí)電路中并未使用電阻分壓器，故而整個(gè)電路的噪聲主要來(lái)自于誤差放大器，可以實(shí)現(xiàn)電路的超低噪聲輸出。但是，為了實(shí)現(xiàn)前級(jí)電路的噪聲濾除，電路中的R-C濾波器的截止頻率必須做到很低，這就要求電路所采用的電阻R和電容C必須很大，從而會(huì)導(dǎo)致很大的芯片面積，這顯然就極大的增加工程制造的成本，因此生產(chǎn)上難以實(shí)現(xiàn)。
[0026]圖4為本發(fā)明所述的具有小的芯片面積和超低噪聲輸出的LDO線性穩(wěn)壓器的電路原理圖，與圖3所述電路的主要不同之處在于R-C濾波器的設(shè)計(jì)。本發(fā)明在圖3的基礎(chǔ)上對(duì)濾波電路進(jìn)行了改進(jìn)，采用了一種電容放大的結(jié)構(gòu)來(lái)減小所需要的大電容。其中，圖3中的電容C由很小的電阻Rm、Cm和負(fù)的跨導(dǎo)放大器-Gm代替。當(dāng)C的值與Rm、Cm、Gm乘積的大小大致相等時(shí)電路能夠?qū)崿F(xiàn)相同的效果。該電路中原來(lái)的大電容所占芯片面積很大，使用電容放大電路之后其芯片面積得到了很大的減少，并不會(huì)顯著增加工程制造的成本，而且同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電路的超低噪聲輸出，使工業(yè)生產(chǎn)成為可能。
[0027]圖5所示為本發(fā)明在選擇不同電容大小Cm時(shí)在所選頻帶為IOHz-1KHz范圍內(nèi)的噪聲測(cè)試仿真結(jié)果。由仿真圖中的結(jié)果表明電路輸出噪聲效果會(huì)隨著電容放大器增益的變大而略微增大。
[0028]圖6所示為本發(fā)明在選擇不同電容大小Cm時(shí)在所選頻帶為IKHz-1MHz范圍內(nèi)的噪聲測(cè)試仿真結(jié)果。由仿真圖中的結(jié)果表明電路輸出噪聲效果不會(huì)隨著電容放大器增益的變大而發(fā)生改變。
[0029]由圖5和圖6的仿真結(jié)果及其所選參數(shù)可以得到一個(gè)匯總表格見(jiàn)表I。[0030] 表1本設(shè)計(jì)中LDO的噪聲性能仿真結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，其特征在于，包括兩級(jí)調(diào)整模塊，分別是:前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊和后級(jí)調(diào)整模塊；所述前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊包括依次連接的誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和RC低通濾波器；所述后級(jí)調(diào)整模塊包括后級(jí)誤差放大器、PMOS調(diào)整管；前級(jí)預(yù)調(diào)整模塊的輸出與后級(jí)調(diào)整模塊的輸入連接；所述后級(jí)調(diào)整模塊輸入連接負(fù)載電流源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述誤差放大器的負(fù)相端接的是基準(zhǔn)電壓Vief,正相端接在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電阻Rl和電阻R2之間，其中電阻Rl和電阻R2串聯(lián)，電阻Rl —端接PMOS調(diào)整管，另一端接電阻R2，電阻R2一端接電阻Rl，另一端接地，誤差放大器的輸出端接有RC低通濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述RC低通濾波器包括電阻R和電容放大電路；所述電容放大電路包括小電容Cm、跨導(dǎo)為-Gm的跨導(dǎo)放大器以及電阻Rm ;其中，電阻R接誤差放大器輸出，電阻R另一端與跨導(dǎo)放大器相連，電容Cm與跨導(dǎo)放大器并聯(lián)后接電阻Rm，電阻Rm另一端與電阻R2連接后接地，通過(guò)此放大電路，可以將小電容Cm放大成大電容，與電阻R組成RC低通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小面積和超低噪聲的LDO線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述后級(jí)誤差放大器的負(fù)相端接的是經(jīng)過(guò)低通濾波之后的前級(jí)預(yù)調(diào)整結(jié)構(gòu)的輸出，正相端與PMOS調(diào)整管的漏極相連為系統(tǒng)輸出，后級(jí)誤差放大器的輸出端接的是PMOS調(diào)整管的柵端，PMOS調(diào)整管的柵極與后級(jí)誤差放大器的輸出相連，源端接電源，漏端接負(fù)載電流源；負(fù)載電流源為模擬等效負(fù)載電流。
【文檔編號(hào)】G05F1/56GK103885518SQ201410117905
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】江金光, 王江鵬 申請(qǐng)人:常州矽能電子科技有限公司