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申请/专利权人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心

摘要：本发明公开了一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，运算放大器负相输入端接参考电压VREF，正相输入端分别连接功率管漏端的输出电压OUT和第一MOS管的漏端，运算放大器输出端接第一MOS管的栅端；通过运算放大器两个正相输入端对应所在的两个闭合环路实现嵌位，使第二闭合环路中的功率管漏端的输出电压OUT、第一闭合环路中的第一MOS管的漏端电压和参考电压VREF相等。本发明通过双环路嵌位提高输出电压精度，扩展了带宽，保证了快速的负载瞬态响应，即使LDO负载电容和电流在较大范围变化时，也能保证系统的稳定性。

主权项：1.一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，包括运算放大器负相输入端接参考电压VREF，运算放大器的两个正相输入端分别连接功率管漏端的输出电压OUT和第一MOS管的漏端，运算放大器输出端接第一MOS管的栅端；通过运算放大器两个正相输入端对应所在的两个闭合环路实现嵌位，使第二闭合环路中的功率管漏端的输出电压OUT、第一闭合环路中的第一MOS管的漏端电压和参考电压VREF相等；第一闭合环路还包括第二MOS管和第一恒流源；第二MOS管源端与第一MOS管的漏端连接，第二MOS管的漏端经第一恒流源接地；第二MOS管的栅端与漏端共接，同时连接至第二闭合环路中；第一MOS管的栅端与漏端跨接第一电容；第二闭合环路还包括依次连接的共栅放大器、射极跟随器和超级射极跟随器；共栅放大器包括第三MOS管和第二恒流源；电源VCC经第二恒流源与第三MOS管的漏端、射极跟随器连接；第三MOS管栅端连接至第一闭合环路；第三MOS管的源端经第四恒流源接地；第一MOS管的源端接电源VCC；射极跟随器包括第四三极管和第三恒流源；第四三极管的集电极接电源VCC，基极连接至共栅放大器，发射极连接至超级射极跟随器，同时经第三恒流源接地；超级射极跟随器包括第五三极管、第六MOS管、第七MOS管、第五恒流源、第六恒流源和第一电阻；电源VCC经第五恒流源与第五三极管发射极、功率管的栅端、第七MOS管的漏端共接；第五三极管基极连接至射极跟随器；第五三极管集电极与第六MOS管的源端经第一电阻接地；电源VCC经第六恒流源与第六MOS管的漏端、第七MOS管的栅端连接；第六MOS管的栅端连接至第一闭合环路；第七MOS管的源端接地；第二闭合环路中还包括对功率管进行快速充电的电路，包括第八MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第二电阻和第三电阻；第八MOS管M8的源端连接电源VCC，栅端连接至第十一MOS管的栅端和漏端；第八MOS管的漏端与功率管的栅端连接；第十一MOS管的源端接电源VCC，漏端与第十二MOS管的漏端共接；第十二MOS管的源端接地，栅端连接至第二电阻、第三电阻串联的连接点；第二电阻、第三电阻串联在功率管漏端与地之间；第十二MOS管的栅端与功率管漏端之间跨接第二电容C2。

全文数据：一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO技术领域本发明涉及一种全片上无电容型LDO，属于LDO电路技术领域。背景技术LDO（LowDropoutVoltageRegulator：低压差线性稳压器）是最简单的线性稳压电源，它具有体积小、噪声小、输出波纹低，无电磁干扰且设计简单、外围原件少等优点。在大面阵激光雷达读出电路系统中的电源电压种类较多。如果采用片外LDO供电，则需要增加芯片的引脚。如果LDO在片内集成大电容，会大幅增加芯片面积；全片上无电容型LDO可以针对片上系统各个模块的特性，对每个电路模块单独供电，以便对供电模块的所需的电压精度、供电能力、电源抑制比、噪声和瞬态响应等性能进行单独的优化，提高了系统的整体性能。所以，无论从应用成本、复杂度还是LDO自身可靠性而言，需要设计一种无需外部大电容就能实现自稳定的全片上无电容型LDO。同传统型的LDO相比，全片上无电容型LDO的最大区别在于电路结构上少了输出端并联的大电容。在传统LDO中，该输出端的大电容是一个非常重要的电荷储存和提供器件，能有效减小由于负载电流阶跃变化时输出电压的跌落和电压过冲。而对于全片上无电容型LDO，负载的阶跃变化必需依靠功率调整管的快速响应，即调整管的栅极电压能够根据负载的变化能够快速响应；同时，片上无电容型LDO在稳定性上存在着较大缺陷，是设计中的难点。图1为传统全片上无电容型的LDO电路，通过运放opamp嵌位，保证VREF=VA，但是受工艺偏差和版图对称性的影响，M2和M4存在镜像误差，即输出电压OUT与VA有差别，因此，无法保证LDO输出电压OUT与VREF精确相等。节点VC为高阻抗节点，且三极管M5有较大的栅漏电容，因此节点该处的极点频率较低，严重影响LDO的带宽，负载瞬态响应和频率稳定性均较差。发明内容本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，负载瞬态响应和频率稳定性更好。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，运算放大器负相输入端接参考电压VREF，正相输入端分别连接功率管漏端的输出电压OUT和第一MOS管的漏端，运算放大器输出端接第一MOS管的栅端；通过运算放大器两个正相输入端对应所在的两个闭合环路实现嵌位，使第二闭合环路中的功率管漏端的输出电压OUT、第一闭合环路中的第一MOS管的漏端电压和参考电压VREF相等。进一步地，第一闭合环路还包括第二MOS管和第一恒流源；第二MOS管源端与第一MOS管的漏端连接，第二MOS管的漏端经第一恒流源接地；第二MOS管的栅端与漏端共接，同时连接至第二闭合环路中。进一步地，第一MOS管的栅端与漏端跨接第一电容。进一步地，第二闭合环路还包括依次连接的共栅放大器、射极跟随器和超级射极跟随器。进一步地，共栅放大器包括第三MOS管和第二恒流源；电源VCC经第二恒流源与第三MOS管的漏端、射极跟随器连接；第三MOS管栅端连接至第一闭合环路；第三MOS管的源端经第四恒流源接地。进一步地，射极跟随器包括第四三极管和第三恒流源；第四三极管的集电极接电源VCC，基极连接至共栅放大器，发射极连接至超级射极跟随器，同时经第三恒流源接地。进一步地，超级射极跟随器包括第五三极管、第六MOS管、第七MOS管、第五恒流源、第六恒流源和第一电阻；电源VCC经第五恒流源与第五三极管发射极、功率管的栅端、第七MOS管的漏端共接；第五三极管基极连接至射极跟随器；第五三极管集电极与第六MOS管的源端经第一电阻接地；电源VCC经第六恒流源与第六MOS管的漏端、第七MOS管的栅端连接；第六MOS管的栅端连接至第一闭合环路；第七MOS管的源端接地。进一步地，第二闭合环路中还包括对功率管进行快速充电的电路，包括第八MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第二电阻和第三电阻；第八MOS管M8的源端连接电源VCC，栅端连接至第十一MOS管的栅端和漏端；第八MOS管的漏端与功率管的栅端连接；第十一MOS管的源端接电源VCC，漏端与第十二MOS管的漏端共接；第十二MOS管的源端接地，栅端连接至第二电阻、第三电阻串联的连接点；第二电阻、第三电阻串联在功率管漏端与地之间。进一步地，第十二MOS管的栅端与功率管漏端之间跨接第二电容C2。本发明所达到的有益效果：本发明通过双环路嵌位提高输出电压精度，在LDO功率管M9的输出漏端和栅端引入共栅放大电路和超级射极跟随器电路构成闭合环路以降低功率管栅端的阻抗，进而把功率管栅端的极点推到单位增益带宽外，扩展了带宽，保证了快速的负载瞬态响应。因为仅有一个主极点在功率管的漏端，即使LDO负载电容和电流在较大范围变化时，也能保证系统的稳定性。附图说明图1传统的全片上无电容型LDO；图2本发明的LDO电路；图3LDO的负载瞬态响应。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图2所示，IB1~IB6为6个恒流源；opamp为运算放大器，负相输入端接参考电压VREF，正相输入端分别连接输出电压OUT和M1的漏端VA，运算放大器opamp输出端接MOS管M1的栅端，MOS管M1的源端接电源VCC。MOS管M1的栅端与漏端跨接电容C1。通过运算放大器opamp正相输入端所在的两个闭合环路实现精确嵌位，使第二闭合环路中的功率管M9漏端的输出电压OUT、第一闭合环路中的MOS管M1的漏端电压和参考电压VREF相等，精确保证OUT＝VA＝VREF，不随温度、工艺、电源等变化。其中电容C1保证环路频率稳定性。第一闭合环路还包括电容C1、MOS管M2、恒流源IB1。MOS管M2源端与MOS管M1的漏端连接，MOS管M2的漏端经恒流源IB1接地；MOS管M2的栅端与漏端共接，同时连接至第二闭合环路中。第二闭合环路包括除运算放大器opamp、第一闭合环路以外的其他剩余的器件，主要包括恒流源IB2~IB6、MOS管M3、M6、M7、M8、M10、M11、M12、三极管M4、M5、功率管M9、电阻R1、R2、R3和电容C2。电源VCC经恒流源IB2与MOS管M3的漏端、三极管M4的基极连接；MOS管M3栅端与MOS管M2的栅端、漏端共接；MOS管M3的源端经恒流源IB4接地。三极管M4的集电极接电源VCC；三极管M4的发射极与三极管M5的基极连接于VD，三极管M4的集电极同时经恒流源IB3接地。电源VCC经恒流源IB5与三极管M5的发射极、功率管M9的栅端连接；三极管M5的集电极与MOS管M6的源端共接于VH。MOS管M3和恒流源IB2构成共栅放大器；三极管M4和恒流源IB3构成射极跟随器；三极管M4和恒流源IB3及三极管M5和恒流源IB5构成互补射极跟随器，完成电平位移和阻抗转换，通过对恒流源IB3和恒流源IB5的微调，保证三极管M4和三极管M5的发射结BE结电压相等，则VC=VE。三极管M5、MOS管M6、M7、恒流源IB5、IB6和电阻R1构成超级射极跟随器。电源VCC经恒流源IB5与三极管M5发射极、功率管M9的栅端、MOS管M7的漏端、MOS管M8的漏端共接；三极管M5基极连接至射极跟随器中三极管M4的发射极；三极管M5集电极与MOS管M6的源端经电阻R1接地。功率管M9的源端接电源VCC。电源VCC经恒流源IB6与MOS管M6的漏端、MOS管M7的栅端VF连接；MOS管M6的栅端连接至第一闭合环路中的MOS管M2的栅极；MOS管M7的源端接地。MOS管M8的源端连接电源VCC，MOS管M8的栅端连接至MOS管M11的栅、漏端。功率管M9的漏端、MOS管M10的源端共接作为输出端输出电压OUT。功率管M9的源端接电源VCC。MOS管M10的漏端VM与MOS管M3的源端连接，并经恒流源IB4接地。MOS管M11的源端接电源VCC。MOS管M11的漏端与MOS管M12的漏端共接。MOS管M12的源端接地；MOS管M12的栅端连接至电阻R2、R3串联的连接点。电阻R2、R3串联在输出端与地之间。MOS管M12的栅端与输出端之间跨接电容C2。由三极管M5、MOS管M6、M7、恒流源IB5、IB6和电阻R1构成超级射极跟随器，降低功率管M9栅端的电阻。把VE处的极点推至高频（远高于单位增益带宽），这样LDO带宽便不受VE极点的限制，并且能保持其环路的稳定性。MOS管M8、M11、M12、电阻R2、R3和电容C2能够对功率管M9的栅端进行快速充电，克服负载变化带来的输出电压OUT瞬间变高。在LDO正常工作状态下，MOS管M12截止；MOS管M6、M7和恒流源IB6能够对功率管M9的栅端进行快速放电，克服负载变化带来的输出电压OUT瞬间变低。功率管M9的栅端电阻为：（1）其中gm5、gm6、gm7分别为三极管M5、MOS管M6、M7的跨导，ro5、ro6分别为三极管M5、MOS管M6的输出阻抗。为了进一步降低阻抗，三极管M5选用三极管代替MOS管，保证恒流源IB5同样偏置电流下可以获得更大的跨导。公式（1）中的输出阻抗比传统的超级射极跟随器的输出阻抗低了一个数量级。设LDO输出负载电容为CL。CL为被供电模块的等效电容，LDO输出端的极点为主极点，假设M10的阻抗和恒流源IB4的阻抗近似相等，则输出主极点为：（2）其中，gm3、gm9、gm10分别为MOS管M3、功率管M9、MOS管M10的跨导；ro3为MOS管M3的输出阻抗；r10为MOS管M10的输出阻抗；CL为输出负载等效电容值。由（2）知道，其主极点频率远高于传统LDO的主极点，因此可以实现快速的负载瞬态响应。以一具体实施例进行仿真，设负载电流的上升沿和下降沿为20ns，负载电流最小值为0.1mA，负载电流最大值为100mA，负载电容为200pF。如图3所示，当负载电流I跳变时，LDO输出电压V的跌落和过冲均小于50mV。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，运算放大器负相输入端接参考电压VREF，正相输入端分别连接功率管漏端的输出电压OUT和第一MOS管的漏端，运算放大器输出端接第一MOS管的栅端；通过运算放大器两个正相输入端对应所在的两个闭合环路实现嵌位，使第二闭合环路中的功率管漏端的输出电压OUT、第一闭合环路中的第一MOS管的漏端电压和参考电压VREF相等。2.根据权利要求1所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，第一闭合环路还包括第二MOS管和第一恒流源；第二MOS管源端与第一MOS管的漏端连接，第二MOS管的漏端经第一恒流源接地；第二MOS管的栅端与漏端共接，同时连接至第二闭合环路中。3.根据权利要求2所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，第一MOS管的栅端与漏端跨接第一电容。4.根据权利要求1所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，第二闭合环路还包括依次连接的共栅放大器、射极跟随器和超级射极跟随器。5.根据权利要求4所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，共栅放大器包括第三MOS管和第二恒流源；电源VCC经第二恒流源与第三MOS管的漏端、射极跟随器连接；第三MOS管栅端连接至第一闭合环路；第三MOS管的源端经第四恒流源接地。6.根据权利要求4所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，射极跟随器包括第四三极管和第三恒流源；第四三极管的集电极接电源VCC，基极连接至共栅放大器，发射极连接至超级射极跟随器，同时经第三恒流源接地。7.根据权利要求4所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，超级射极跟随器包括第五三极管、第六MOS管、第七MOS管、第五恒流源、第六恒流源和第一电阻；电源VCC经第五恒流源与第五三极管发射极、功率管的栅端、第七MOS管的漏端共接；第五三极管基极连接至射极跟随器；第五三极管集电极与第六MOS管的源端经第一电阻接地；电源VCC经第六恒流源与第六MOS管的漏端、第七MOS管的栅端连接；第六MOS管的栅端连接至第一闭合环路；第七MOS管的源端接地。8.根据权利要求4所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，第二闭合环路中还包括对功率管进行快速充电的电路，包括第八MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管、第二电阻和第三电阻；第八MOS管M8的源端连接电源VCC，栅端连接至第十一MOS管的栅端和漏端；第八MOS管的漏端与功率管的栅端连接；第十一MOS管的源端接电源VCC，漏端与第十二MOS管的漏端共接；第十二MOS管的源端接地，栅端连接至第二电阻、第三电阻串联的连接点；第二电阻、第三电阻串联在功率管漏端与地之间。9.根据权利要求8所述的高精度快速瞬态响应全片上无电容型LDO，其特征是，第十二MOS管的栅端与功率管漏端之间跨接第二电容C2。

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