1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种低压差线性稳压器。
背景技术：2.随着物联网时代的到来，智能出行、智能手机、智能穿戴产品等消费电子产品迅猛发展，渗透到人们生活的方方面面。智能功率集成电路即为这些新型电子产品的硬件核心部分，其中的供电部分即为电源管理类芯片。为了满足不同模块对电源电压的要求，电源管理类芯片分为线性稳压器、开关式电源稳压器、电荷泵式电源稳压器。而线性稳压器具有面积小、纹波小、高电源噪声抑制比、低功耗等特点，使其在高精度便携式消费电子产品中应用广泛。
3.集成在便携式设备中的线性稳压器，不仅要求它能提供高负载电流，也需要它的空载静态电流尽可能的达到最小以便使电流效率达到最高。良好的负载应具有小的输出电压变化，包括小的瞬态响应过冲和下冲，防止开关在至关重要的时候意外关闭。因此，针对性的提出一种具有输出瞬态响应速度快，负载调整率低的线性稳压器将显得尤为重要。
技术实现要素：4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种低压差线性稳压器。
5.本发明提供了一种低压差线性稳压器，包括带隙基准电路、调整器电路和瞬态增强电路；
6.所述带隙基准电路用于为所述调整器电路提供基准电压；
7.所述调整器电路包括第一运算放大器、缓冲器、输出功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻和输出电容；所述第一运算放大器的正向输入端连接所述基准电压，所述第一运算放大器的负向输入端连接反馈电压，所述第一运算放大器的输出端连接所述缓冲器的输入端，所述缓冲器的输出端连接所述输出功率管的栅极，所述输出功率管的源极连接电源电压，所述输出功率管的漏极通过所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联结构后接地，且在所述输出功率管的漏极与地端之间提供有一负载输出端；所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联点输出所述反馈电压，所述输出电容的一端连接所述输出功率管的漏极，所述输出电容的另一端接地；
8.所述瞬态增强电路用于在所述负载输出端输出的电压值变化时，为所述输出功率管的漏极提供充电通路或放电通路，使所述负载输出端的电压稳定。
9.可选的，所述瞬态增强电路用于：
10.在所述负载输出端输出的电压升高时，为所述输出功率管的漏极提供放电通路，使所述负载输出端的电压降低；
11.在所述负载输出端输出的电压降低时，为所述输出功率管的漏极提供充电通路，使所述负载输出端的电压升高。
12.可选的，所述瞬态增强电路包括由第二运算放大器和第一开关管构成的放电通路；
13.所述第二运算放大器的正向输入端连接参考电压，所述第二运算放大器的负向输入端连接反馈电压；所述第二运算放大器的输出端连接所述第一开关管的栅极，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的漏极连接所述负载输出端。
14.可选的，所述瞬态增强电路包括由第三运算放大器、反相器和第二开关管构成的充电通路；
15.所述第三运算放大器的正向输入端连接参考电压，所述第三运算放大器的负向输入端连接反馈电压，所述第三运算放大器的输出端连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接所述第二开关管的栅极，所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的漏极连接所述负载输出端。
16.可选的，所述第一运算放大器为折叠式共源共栅运算放大器。
17.可选的，所述缓冲器为具有动态偏置的超级跟随器。
18.可选的，所述带隙基准电路包括使能电路和带隙基准子电路，所述使能电路的输入端连接所述电源电压，所述使能电路的输出端连接所述带隙基准子电路的输入端，所述带隙基准子电路的输出端用于输出所述基准电压。
19.可选的，所述调整器电路还包括第一密勒补偿电容、第二密勒补偿电容和补偿电阻；
20.所述第一密勒补偿电容一端连接所述输出功率管的栅极，所述第一密勒补偿电容另一端连接所述负载输出端；
21.所述第二密勒补偿电容一端连接所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联点，所述第二密勒补偿电容另一端接地；
22.所述补偿电阻的一端连接负载输出端，所述补偿电阻的另一端接地。
23.可选的，所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻均为多晶硅电阻。
24.可选的，所述电源电压为1.8v，所述带隙基准电路输出的所述基准电压为1.15v，所述负载输出端输出1.5v的恒定电压。
25.本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
26.本发明实施例提供的一种低压差的线性稳压器，通过设置瞬态增强电路，可以使负载输出端的电压保持稳定。当负载输出端连接的负载在重载状态和轻载状态之间跳变，导致负载输出端的电压变化时，会产生过冲或下冲现象，使得输出功率管的漏极电压发生变化。此时，瞬态增强电路可以为输出功率管的漏极提供充电通路或放电通路，使负载输出端的电压恢复稳定，稳定输出端的瞬态响应。该线性稳压器具有快速瞬态响应、低负载调整、低温度系数、低功耗以及高稳定性。
27.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
28.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通
技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
29.在附图中：
30.图1是本发明实施例提供的一种线性稳压器的电路结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的一种带隙基准电路的结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的一种调整器电路的结构示意图；
33.图4是本发明实施例提供的一种瞬态增强电路的结构示意图；
34.图5至图12为本发明实施例提供的各仿真结果示意图。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。
36.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
37.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。在本公开的上下文中，相似或者相同的部件可能会用相同或者相似的标号来表示。
38.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本公开内容实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
39.图1是本发明实施例提供的一种线性稳压器的电路结构示意图，如图1所示，该线性稳压器100包括带隙基准电路110、调整器电路120和瞬态增强电路130。
40.带隙基准电路110用于为调整器电路120提供基准电压vref；
41.调整器电路120包括第一运算放大器op1、缓冲器buffer、输出功率管pm0、第一反馈电阻r01、第二反馈电阻r02和输出电容cl。第一运算放大器op1的正向输入端连接基准电压vref，第一运算放大器op1的负向输入端连接反馈电压vfb，第一运算放大器op1的输出端连接缓冲器buffer的输入端，缓冲器buffer的输出端连接输出功率管pm0的栅极。输出功率管pm0的源极连接电源电压vin，输出功率管pm0的漏极通过第一反馈电阻r01和第二反馈电阻r02的串联结构后接地，且在输出功率管pm0的漏极与地端之间提供有一负载输出端vout。第一反馈电阻r01和第二反馈电阻r02的串联点输出反馈电压vfb。输出电容cl的一端连接输出功率管pm0的漏极，输出电容cl的另一端接地。
42.瞬态增强电路130用于在负载输出端输出vout的电压值变化时，为输出功率管pm0的漏极提供充电通路或放电通路，使负载输出端vout的电压稳定。
43.由图1可知，第一反馈电阻r01、第二反馈电阻r02与第一运算放大器op1组成负反馈环路，控制输出功率管pm0的栅极电压。线性稳压器的功能即是，当负载输出端电压vout
变化时，第一运算放大器op1反馈控制输出功率管pm0的栅极电压，维持输出电压vout不变。当负载输出端连接的负载由重载跳变为轻载时，由于输出功率管pm0的提供的电流远大于负载需求，多余电流还可以经输出电容cl充电，进而使得负载输出端电压vout升高(此时输出端电位出现过冲现象)，vfb点电压升高，第一运算放大器op1的输出端控制输出功率管pm0的栅极电压升高，输出功率管pm0提供的电流降低到负载电流。反之，当负载由轻载跳变为重载时，由于输出功率管pm0的提供的电流不能满足负载需求，负载电流经输出电容cl放电流过，进而使得负载输出端电压vout降低(此时输出端电位出现下冲现象)，vfb点电压降低，第一运算放大器op1的输出端控制输出功率管pm0的栅极电压降低，输出功率管pm0提供的电流增大到负载电流。
44.其中，线性稳压器的瞬态响应表征了负载输出端连接的负载突变时，输出电压vout的脉冲大小和恢复时间。负载电流由轻载跳重载时，输出功率管pm0提供的电流不能满足负载需要，由输出电容cl向负载放电，输出电压迅速降低，下冲产生。反之，负载电流由重载跳变到轻载时，输出功率管pm0提供的电流超出负载需要，输出功率管pm0向输出电容cl充电，输出电压迅速升高，过冲产生。增强瞬态响应，即为采取电路技术，减小过冲和下冲电压。
45.负载调整率：该指标表征了负载电流变化时输出电压保持恒定的能力。低的负载调整率会使得输出电压变化量更小。
46.可选的，第一运算放大器op1为折叠式共源共栅运算放大器，功耗更低，增益更高，且可以分开调整解耦输入级跨导和输出阻抗。
47.可选的，缓冲器buffer为具有动态偏置的超级跟随器(super-gm follower)。超级跟随器做缓冲器用时，由于其独特的结构，可以使得跟随器的跨导增大，所以称为suoer-gm，其中gm为跨导。动态偏置的意思是图3的mp21和mp18是动态的偏置电流，可以改变缓冲器的电流以及跨导gm。
48.通过使用super-gm的跟随器结构，可以在增大环路增益的同时，检测输出功率管pm0的电流，跟随调整等效gm，以便调整输出功率管pm0的栅极电压。
49.在本实施例中，输出功率管pm0为p沟道型场效应管，当输出功率管pm0的栅极电压升高时，其漏极电压降低，当输出功率管pm0的栅极电压降低时，其漏极电压升高。
50.可选的，第一反馈电阻r01和第二反馈电阻r02均为多晶硅电阻，精度更高。
51.可选的，如图1所示，该调整器电路120还包括第一密勒补偿电容c01、第二密勒补偿电容c01和补偿电阻rl。
52.第一密勒补偿电容c01一端连接输出功率管pm0的栅极，第一密勒补偿电容c01另一端连接负载输出端vout。
53.第二密勒补偿电容c02一端连接第一反馈电阻r01和第二反馈电阻r02的串联点，第二密勒补偿电容c02另一端接地。
54.补偿电阻rl的一端连接负载输出端vout，补偿电阻rl的另一端接地。
55.通过设置第一密勒补偿电容c01和第二密勒补偿电容c02，可以保证电路的稳定性。通过设置补偿电阻rl可以防止电路故障导致负载输出端电压vout过大。
56.可选的，瞬态增强电路130用于：
57.在负载输出端vout的电压升高时，为输出功率管pm0的漏极提供放电通路，使负载
field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)管(mn1-mn5)、多个p型增强型mos管(mp1-mp10)和电阻(r1-r2)。
69.图3是本发明实施例提供的一种调整器电路的结构示意图，如图3所示，调整器电路120中的多个n型增强型mos管(mn6-mn9)、多个p型增强型mos管(mp11-mp15)构成第一运算放大器op1。多个n型增强型mos管(mn10-mn13)、多个p型增强型mos管(mp16-mp21)构成缓冲器bffer。
70.图4是本发明实施例提供的一种瞬态增强电路的结构示意图，如图4所示，瞬态增强电路130中的多个n型增强型mos管(mn14-mn15)、多个p型增强型mos管(mp22-mp24)构成第二运算放大器op2。
71.瞬态增强电路130中的多个n型增强型mos管(mn16-mn17)、多个p型增强型mos管(mp25-mp27)构成第三运算放大器op3。
72.瞬态增强电路130中的n型增强型mos管mn18和p型增强型mos管mp28构成反相器inv。
73.其中，图4中的n型增强型mos管mp29与图1中的第二开关管pm1为同一晶体管，图4中的n型增强型mos管mn19与图1中的第一开关管nm1为同一晶体管。
74.需要说明的是，本发明实施例提供的线性稳压器中的各个电阻可以均为阱电阻、多晶电阻或无缘电阻，本发明对此不作限定。
75.下面为本采用本发明实施例提供的低压差线性稳压器的cadence spectre仿真结果结果。图5至图12为本发明实施例提供的各仿真结果示意图。
76.一、温度特性仿真
77.本设计的温度特性：分别在空载至负载100ma时，对温度进行-40～150℃的dc扫描，带隙基准电路的温度仿真结果如图5所示，可以看出，vref最高为1.1516v，最低为1.15137v，差值为0.23mv，由温漂系数ppm表达式：
78.t＝(vmax-vmin)/(vmean(tmax-tmin))
×
10^6(ppm/℃)
79.可得，带隙基准电路的温漂系数为：1.05ppm/℃。其中，vmax＝1.1516v，vmin＝1.15137v，vmean＝，tmax＝-40℃，tmin＝150℃。
80.二、静态电流仿真
81.仿真方式：对流经电源电压vin的电流进行瞬态仿真。
①
空载条件下，低压差线性稳压器工作时的静态电流。仿真结果由图6所示，vin(vdd)为1.8v、en为0时，电路工作，静态电流为31.85μa。
②
低压差线性稳压器关断时的静态电流。仿真结果如图7所示，vin为1.8v、en为1.8v时，ldo关断，静态电流为630.65na。
82.三、稳定性仿真
83.对全负载范围、不同工艺角进行稳定性仿真：将电路通过iprobe连接成单位负反馈的方式，采用stb仿真。仿真结果如下图所示，图8和图9分别是负载为100ua、100ma时的仿真结果，相位裕度分别为88deg和87deg。由此可知，上述两种仿真结果中的相位裕度值均较高，因此，电路在全负载范围均具有良好的稳定性。
84.四、瞬态仿真
85.仿真设置参数：电源电压vin与使能端电压nen相连(电路设计时。en低电平时电路工作，故与en的反向nen相连)，0～1.8v跳变，上升下降沿时间：1us。瞬态仿真结果如图10～
11所示，其中图11为瞬态增强后的仿真结果，过冲62mv，下冲125mv，对比图10和11可知，瞬态特性有优化。
86.五、负载调整率仿真
87.负载调整率定义为在输入电压vin保持不变的情况下，负载电流发生变化而引起的输出电压变化量δvi
out
与负载电流变化量δi
out
的比值。负载调整率反映了负载电流对输出电压的影响，其值越小越好。表达式为：
88.负载调整率＝(δv
out
)/(δi
out
)
89.本设计在vin为1.8v，对全负载范围(100μa～100ma)进行dc扫描仿真，仿真结果如下图12所示，可以看出，负载输出端vout电压最高为1.5v，最低为1.497v，差值为3mv，负载调整率为0.03(mv/ma)。
90.由上述仿真结果可知，本发明提供的低压差线性稳压器具有0.03(mv/ma)的低负载调整率；具有630na的关断静态电流和32ua的工作静态电流；具有过冲62mv、下冲125mv的快速瞬态响应；且全负载范围相位裕度均大于85deg，具有较好的稳定性。综上，本发明提供的低压差线性稳压器具有快速瞬态响应、低负载调整率、低温度系数、低功耗以及高稳定性等特点。
91.本发明实施例提供的一种低压差的线性稳压器，通过设置瞬态增强电路，可以使负载输出端的电压保持稳定。当负载输出端连接的负载在重载状态和轻载状态之间跳变，导致负载输出端的电压变化时，会产生过冲或下冲现象，使得输出功率管的漏极电压发生变化。此时，瞬态增强电路可以为输出功率管的漏极提供充电通路或放电通路，使负载输出端的电压恢复稳定，稳定输出端的瞬态响应。该线性稳压器具有快速瞬态响应、低负载调整、低温度系数、低功耗以及高稳定性。
92.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
93.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
94.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
技术特征：1.一种低压差线性稳压器，其特征在于，包括带隙基准电路、调整器电路和瞬态增强电路；所述带隙基准电路用于为所述调整器电路提供基准电压；所述调整器电路包括第一运算放大器、缓冲器、输出功率管、第一反馈电阻、第二反馈电阻和输出电容；所述第一运算放大器的正向输入端连接所述基准电压，所述第一运算放大器的负向输入端连接反馈电压，所述第一运算放大器的输出端连接所述缓冲器的输入端，所述缓冲器的输出端连接所述输出功率管的栅极，所述输出功率管的源极连接电源电压，所述输出功率管的漏极通过所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联结构后接地，且在所述输出功率管的漏极与地端之间提供有一负载输出端；所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联点输出所述反馈电压，所述输出电容的一端连接所述输出功率管的漏极，所述输出电容的另一端接地；所述瞬态增强电路用于在所述负载输出端输出的电压值变化时，为所述输出功率管的漏极提供充电通路或放电通路，使所述负载输出端的电压稳定。2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述瞬态增强电路用于：在所述负载输出端的电压升高时，为所述输出功率管的漏极提供放电通路，使所述负载输出端的电压降低；在所述负载输出端的电压降低时，为所述输出功率管的漏极提供充电通路，使所述负载输出端的电压升高。3.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述瞬态增强电路包括由第二运算放大器和第一开关管构成的放电通路；所述第二运算放大器的正向输入端连接参考电压，所述第二运算放大器的负向输入端连接反馈电压；所述第二运算放大器的输出端连接所述第一开关管的栅极，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的漏极连接所述负载输出端。4.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述瞬态增强电路包括由第三运算放大器、反相器和第二开关管构成的充电通路；所述第三运算放大器的正向输入端连接参考电压，所述第三运算放大器的负向输入端连接反馈电压，所述第三运算放大器的输出端连接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接所述第二开关管的栅极，所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的漏极连接所述负载输出端。5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一运算放大器为折叠式共源共栅运算放大器。6.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述缓冲器为具有动态偏置的超级跟随器。7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述带隙基准电路包括使能电路和带隙基准子电路，所述使能电路的输入端连接所述电源电压，所述使能电路的输出端连接所述带隙基准子电路的输入端，所述带隙基准子电路的输出端用于输出所述基准电压。8.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述调整器电路还包括第一密勒补偿电容、第二密勒补偿电容和补偿电阻；
所述第一密勒补偿电容一端连接所述输出功率管的栅极，所述第一密勒补偿电容另一端连接所述负载输出端；所述第二密勒补偿电容一端连接所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的串联点，所述第二密勒补偿电容另一端接地；所述补偿电阻的一端连接负载输出端，所述补偿电阻的另一端接地。9.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻均为多晶硅电阻。10.根据权利要求1所述的低压差线性稳压器，其特征在于，所述电源电压为1.8v，所述带隙基准电路输出的所述基准电压为1.15v，所述负载输出端输出1.5v的恒定电压。
技术总结本发明公开了一种低压差线性稳压器，包括带隙基准电路、调整器电路和瞬态增强电路；所述带隙基准电路用于为所述调整器电路提供基准电压；所述调整器电路用于将所述基准电压转换成稳定电压输出，所述瞬态增强电路用于在所述调整器电路的负载输出端输出的电压值变化时，提供充电通路或放电通路，使所述负载输出端的电压稳定，从而稳定输出端的瞬态响应。本发明提供的线性稳压器具有快速瞬态响应、低负载调整率、低温度系数、低功耗以及高稳定性。低功耗以及高稳定性。低功耗以及高稳定性。
技术研发人员：高马利 蔡小五 丁利强 高悦欣 夏瑞瑞 郝宁 赵发展
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2022.06.16
技术公布日：2022/11/1
