一種提高瞬態(tài)響應(yīng)和電源抑制比的無(wú)片外電容ldo的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高瞬態(tài)響應(yīng)和電源抑制比的無(wú)片 外電容低壓差線性穩(wěn)壓器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002] 高科技電子行業(yè)發(fā)展的進(jìn)程里，電源管理芯片起到極其重要的作用，它可以為系 統(tǒng)其余電路給予穩(wěn)定電壓。低壓差線性穩(wěn)壓器芯片的簡(jiǎn)稱是LDO(L〇W Dropout Linear Voltage Regulator)，屬于電源管理芯片。顯著優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、輸出噪聲低、集 成度高。普及于便攜電子設(shè)施中，如筆記本電腦、車輛電子配件、手機(jī)、MP3諸如此類。有片 外電容與無(wú)片外電容LDO的區(qū)別在于其主電路的輸出端是否接有片外電容C ciut。片外電容 Cciut的取值一般為yF數(shù)量級(jí)，不能集成于片內(nèi)，這樣很大程度地降低了集成度。如果將電 容Cciut集成于片內(nèi)，則是無(wú)片外電容LD0,集成度隨之提升，所以目前無(wú)片外電容LDO的研究 炙手可熱。
[0003] LDO首要任務(wù)是讓輸出電壓穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載電流瞬態(tài)變化時(shí)，響應(yīng)效果要好并且有良 好的PSRR特性。傳統(tǒng)的有片外電容LDO的大電容C ciut接在芯片外，所以版圖及PCB走線過(guò) 程中，會(huì)產(chǎn)生等效寄生電阻1?_，在LDO輸出端引入了一個(gè)零點(diǎn)，可以用于補(bǔ)償LDO系統(tǒng)環(huán)路 產(chǎn)生的極點(diǎn)，讓環(huán)路系統(tǒng)穩(wěn)定。并且對(duì)其瞬態(tài)響應(yīng)和PSRR特性具有好的作用。但是很大的 片外電容不能夠在片上集成，需要焊接在芯片之外，這樣就會(huì)大大地降低芯片的集成度。并 且其產(chǎn)生的寄生等效串聯(lián)電阻對(duì)系統(tǒng)環(huán)路穩(wěn)定性起到很重要的作用，如果要讓寄生的等效 串聯(lián)電阻較大，就必須選用價(jià)格略貴的鉭電容，即提高了芯片成本?？紤]到傳統(tǒng)LDO存在的 缺點(diǎn)，所以無(wú)片外電容LDO的研究是很有意義的。
[0004] 無(wú)片外電容LDO沒(méi)有片外的大電容，所以會(huì)存在穩(wěn)定性不好的情況。此外，片外電 容對(duì)LDO電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性起到的作用更大，可以由它為負(fù)載充放電。沒(méi)有片外大 電容C ciut，且瞬態(tài)響應(yīng)與功率管柵極電容的大小成反比，使得電路輸出電壓的變化在一定程 度上加大，無(wú)片外電容低壓差穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性將變差。因此，解決無(wú)片外電容LDO存 在的這些問(wèn)題是其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有無(wú)片外電容LDO的瞬態(tài)響應(yīng)和電源抑制比特性較差的不足，本 發(fā)明提出了一種提高瞬態(tài)響應(yīng)和電源抑制比的無(wú)片外電容LD0。該LDO采用NMC的補(bǔ)償技 術(shù)，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用一個(gè)第二級(jí) gni提高的放大器來(lái)增加對(duì)功率管柵端的充放電電流， 并且加入擺率增強(qiáng)電路，當(dāng)負(fù)載電流從小到大階躍跳變時(shí)，為負(fù)載提供所需電流，共同縮短 環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。此外提出一個(gè)電源抑制比增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，用其控制系統(tǒng)PSRR(電源抑制比）的 反饋因子β，促成中頻帶的PSRR由零點(diǎn)頻率的加大得以提升。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種提高瞬態(tài)響應(yīng)和電源抑制比的無(wú)片外電容LD0,其特征在于：包括兩級(jí)誤差 放大器、基準(zhǔn)電壓源、NMC密勒補(bǔ)償電容Cni、功率調(diào)整管M12、電阻反饋電路、電源抑制比增 強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)電路和擺率增強(qiáng)電路；其中，電阻反饋電路由第一反饋電阻Rl和第二反饋電阻R2組 成，誤差放大器第一級(jí)為一個(gè)差分放大器，誤差放大器第二級(jí)為g m提高結(jié)構(gòu)的放大電路，誤 差放大器第一級(jí)的同相輸入端與第一反饋電阻Rl和第二反饋電阻R2之間的電位Vfb連接， 誤差放大器第一級(jí)的反相輸入端與基準(zhǔn)電壓源的輸出端V raf相接；功率調(diào)整管M12的漏極 作為整個(gè)LDO的輸出端Vciut，其柵極接誤差放大器第二級(jí)的輸出端V2,源極接電源電壓，NMC 密勒補(bǔ)償電容〇"的正極接誤差放大器第一級(jí)的輸出端VI，C !^的負(fù)極與LDO的輸出端相連： 擺率增強(qiáng)電路的輸入端與LDO輸出端Vciut連接，輸出端與誤差放大器第一級(jí)的輸出端Vl連 接；電源抑制比增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)電路的輸入端與LDO輸出端V ciut連接，輸出端與第一反饋電阻RU 第二反饋電阻R2之間的電位Vfb連接相連。
[0008] 其中，第一反饋電阻RU第二反饋電阻R2的電阻值是100ΚΩ~300ΚΩ ;密勒補(bǔ)償 電容Cni的電容是0. 5pF~2pF。
[0009] 所述誤差放大器第二級(jí)包括第七、第八、第九PMOS管M7、M8、M9 ;第五、第六、第十、 第^^一 NMOS管15、16、110、111，其中，第七？103管17作為放大器第二級(jí)的電流源，第五、 第六NMOS管M5、M6是一組對(duì)管；具體CMOS器件連接方式：第七PMOS管M7 :源接電，柵接 偏置電壓Vbias，漏接第五、第六NMOS管M5、M6的漏；第五NMOS管M5 :柵接誤差放大器第 一級(jí)的輸出端VI，源接地；第六NMOS管M6 :柵漏短接并連接第^^一 NMOS管Mll的柵，源接 地；第十NMOS管MlO :柵接第五NMOS管M5的柵，漏接第八PMOS管M8的柵和漏，源接地；第 八PMOS管M8 :源接電，柵連漏并接第九PMOS管M9的柵；第九PMOS管M9 :源接電，漏接第 十一 NMOS管Mll的漏；第^^一 NMOS管Mll :柵接第六NMOS管M6的柵，源接地。
[0010] 誤差放大器gni的大小會(huì)影響LDO環(huán)路中g(shù)ni的值，LDO環(huán)路中 gni的大小對(duì)LDO系統(tǒng) 瞬態(tài)響應(yīng)起到很大的作用，本發(fā)明中LDO環(huán)路的gni可提高到100 μ S以上。
[0011] 進(jìn)一步地，所述的擺率增強(qiáng)電路包括第二十五、第二十六、第三十PMOS管Μ25、 Μ26、Μ30 ;第二十七、第二十八、第二十九NMOS管Μ27、Μ28、Μ29,其中第二十五PMOS管Μ25 作為整個(gè)LDO負(fù)載的電流源，第三十PMOS管Μ30作為擺率增強(qiáng)電路電流源；具體CMOS器件 連接方式：第二十五PMOS管M25 :源接電，柵接第六NMOS管M6的柵，漏接整個(gè)LDO的輸出 Vciut;第二十六PMOS管M26 :柵接漏，源接電，漏接第二十七NMOS管M27漏；第二十七NMOS 管M27 :柵接第三十PMOS管M30漏，源接第二十八NMOS管M28漏；第二十八NMOS管M28 : 柵接偏置電壓Vn，源接地；第三十PMOS管M30 :源接電，柵接偏置電壓Vbias，漏接第二十七 NMOS管M27柵和第二十九NMOS管M29漏；第二十九NMOS管M29 :柵接兩級(jí)誤差放大器第一 級(jí)輸出立而Vl，源接地。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的電源抑制比增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)電路包括第十五、第十六、第十九、第二十、 第二^^一、第二十四PMOS管M15、M16、M19、M20、M21、M24 ;第十三、第十四、第十七、第十八、 第二十二、第二十三 NMOS 管[3、]?14、]\117、]\118、]\122、]\123，其中，第十九？]\?)5管119作為電 流源，第十五、第十六PMOS管M15、M16是一組對(duì)管；具體CMOS器件連接方式：第十三NMOS 管M13 :柵接整個(gè)LDO的輸出Vciut，漏接電，源接第十四NMOS管M14的漏；第十四NMOS管M14 : 柵接偏置電壓Vn，源接地；第十九PMOS管M19 :柵接偏置電壓Vbias，源接電，漏接第十五、 第十六PMOS管M15、M16的源；第十五PMOS管M15 :柵接第十三NMOS管M13源，漏接第十七 NMOS管M17漏；第十六PMOS管M16 :柵接第二^^一 PMOS管M21源，漏接第十八NMOS管M18 漏；第十七NMOS管M17 :柵接漏并接第十八NMOS管M18柵，源接地；第十八NMOS管M18 :漏 接第十六PMOS管M16漏，源接地；第二十PMOS管M20 :源接電，柵接Vbias，漏接第二^^一 PMOS管M21源；第二^^一 PMOS管M21 :柵接第十六PMOS管M16漏，漏接第二十二NMOS管 M22漏和調(diào)零電容Cf正極且調(diào)零電容C f負(fù)極接地，調(diào)零電容C f的取值范圍在5pF~15pF 之間；第二十二NMOS管M22 :漏接?xùn)挪⒔拥诙齆MOS管M23柵，源接地；第二十四PMOS 管M24 :柵接Vbias，源接電，漏接第二十三NMOS管M23漏并接Vfb;第二十三NMOS管M23 : 源接地，柵接第二十二NMOS管M22柵，漏接第二十四PMOS管M24漏。
[0013] 穩(wěn)定性分析：本發(fā)明提出的是無(wú)片外電容LD0,不存在微法數(shù)量級(jí)的片外電容，因 而為保證穩(wěn)定性，本發(fā)明采用NMC片內(nèi)補(bǔ)償技術(shù)，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)存在的零極點(diǎn)表達(dá)式。
[0019] 其中，P1是環(huán)路增益的主極點(diǎn)，主極點(diǎn)表示頻率響應(yīng)曲線中第一個(gè)曲線下降的位 置，p 2、P3是環(huán)路增益的另外兩個(gè)極點(diǎn)，z i、Z2是環(huán)路增益兩個(gè)零點(diǎn)，零點(diǎn)表示頻率響應(yīng)曲線 中曲線上升的位置。21是右半平面零點(diǎn)，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，應(yīng)將其設(shè)計(jì)在GBW以外，由NMC 的補(bǔ)償辦法產(chǎn)生的有些零極點(diǎn)可以進(jìn)行補(bǔ)償相互抵消掉，或?qū)⒏唠A零極點(diǎn)設(shè)定地遠(yuǎn)一些， 形成單極點(diǎn)系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。
[0020] 本發(fā)明所述第二級(jí)g"提高的放大器電路的工作原理：
[0021 ] 傳統(tǒng)LDO當(dāng)負(fù)載電流瞬間變化時(shí)，輸出電壓的變化量是：
[0025] U是對(duì)功率管柵端的充放電電流，輸出電壓的變化量越小，LDO系統(tǒng)負(fù)載瞬態(tài)響 應(yīng)特性越好。片外電容對(duì)LDO電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性起到的作用很大，可以由它為負(fù)載 充放電。沒(méi)有片外大電容Cciut，且瞬態(tài)響應(yīng)與功率管柵極電容的大小成反比，使得電路輸 出電壓的變化在一定程度上加大，無(wú)片外電容低壓差線性穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性將變 差。從上面輸出電壓變化量的公式可見，縮短響應(yīng)時(shí)間可以增強(qiáng)LDO的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性。 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓Vciut變化，導(dǎo)致了第