一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器的製作方法
2023-09-19 07:09:05 1
專利名稱：一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，屬於集成電路技 術領域。
背景技術：
在集成有模擬和數字電路的片上系統(以下簡稱S0C)中，尤其是在具有射頻、模 擬和數字的片上SOC系統中，存在以下三個原因需要片上低壓差穩壓器(以下簡稱LD0)。首 先，模擬電路和數字電路可能需要不同的電源電壓，並且這兩者的電壓和片外電源能夠提 供的電壓可能並不吻合，因此需要片上LDO來給系統內部不同模塊提高不同的片上電壓。 其次，在SOC系統中如果沒有片上LD0，電源電壓的噪聲將非常的大，因此需要具有低噪聲 電壓輸出的片上LDO來提供幹靜的電源電壓。最後，在片上SOC系統中，如果沒有LD0，那麼 不同模塊之間通過電源線的串擾非常之大，因此需要具有高電源紋波抑制的片上LDO來阻 斷片上不同模塊之間通過電源線的串擾。另外，至少存在以下兩點原因需要片上LDO具有輸出具有數控可調節的功能。首 先，如果片上LDO輸入電壓能夠數控調節，那麼對於由該LDO提供電源電壓的模塊來說，具 有更大的設計、測試的靈活性。其次，通常能夠為LDO提供低噪聲參考電壓的電路，都是容 易受到工藝、溫度等條件的影響，因此需要片上LDO的輸出具有數控調節功能，從而能夠校 準片上LDO保證其輸出電壓的精度。
發明內容
本發明的目的是提出一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，採用 MOS管閾值電壓(以下簡稱Vth)倍乘器的電路來提供誤差放大器的參考電壓，該Vth倍乘 器能夠提供低噪聲的參考電壓，從而保證片上LDO輸出一個低噪聲的電壓。本發明提出的可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，包括參考電壓產生電路，由外部電源供電的偏置電路、低壓差穩壓器輸出電壓供電的 偏置電路、偏置電流切換電路和數控調節電路組成，其中所述的外部電源供電的偏置電路 用於產生第一偏置電流，所述的低壓差穩壓器輸出電壓供電的偏置電路用於產生第二偏置 電流，所述的數控調節電路根據用戶對低壓差穩壓器輸出電壓的要求產生一個調節信號， 所述的偏置電流切換電路用於根據數控調節電路的控制信號對第一偏置電流和第二偏置 電流進行選擇後產生第一偏置電壓、第二偏置電壓和一個參考電壓；誤差放大器，由第一誤差放大器和第二誤差放大器組成，第一誤差放大器和第二 誤差放大器的輸出端相連，其中所述的第一誤差放大器由外部電源供電，用於接受來自參 考電壓產生電路產生的第一偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋 電壓，並且對參考電壓和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓，其中所述 的第二誤差放大器由低壓差穩壓器輸出電壓供電，用於接受來自參考電壓產生電路產生的 第二偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋電壓，並且對參考電壓和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓；低壓差穩壓器輸出電路，由大PMOS管、頻率補償電路、電阻分壓電路和電源濾波 電路組成，其中所述的大PMOS管的源極與外部電源相連，大PMOS管的柵極與誤差放大器的 輸出電壓相連，大PMOS管的漏極同時與低壓差穩壓器的輸出端、電源濾波電路、頻率補償 電路的輸入端和電阻分壓電路的輸入端相連，其中所述的頻率補償電路的輸出端同時與電 阻分壓電路的輸出端和誤差放大器相連，用於保證低壓差穩壓器反饋電壓的穩定，其中所 述的電阻分壓電路用於從低壓差穩壓器的輸出電壓中分出反饋電壓，其中所述的電源濾波 電路用於低壓差穩壓器輸出電壓進行濾波。本發明提出的可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，所設計的LDO通過 控制Vth倍乘器中的電阻來控制片上LDO的參考電壓，從而能夠數控調節片上LDO的輸出 電壓。數控調節功能能保證LDO在不同的工作條件下，使輸出電壓更好地滿足設計要求。本 發明所設計的LDO為保證其高電源紋波抑制，在LDO上電之初，當LDO輸出電壓建立到一定 幅度之後，該LDO通過一種模擬的電流切換電路，使得原本由外部電源供電的LDO的參考電 壓電路和部分誤差放大器中電路的電源由原來的外部電源切換到片上LDO的輸出。因此本 發明具有優良的電源紋波抑制性能。
圖1是本發明提出的可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器的結構框圖。圖2是圖1中偏置電路的一種實施方式。圖3是圖1中偏置電流切換電路的一種具體實現形式。圖4是圖1中誤差放大器的一種具體實現形式。圖5是圖1中低壓差穩壓器輸出電路的一種具體實現形式。
具體實施例方式本發明提出的可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，其結構框圖如圖1 所示，包括參考電壓產生電路，由外部電源供電的偏置電路、低壓差穩壓器輸出電壓供電的 偏置電路、偏置電流切換電路和數控調節電路組成，其中所述的外部電源供電的偏置電路 用於產生第一偏置電流，所述的低壓差穩壓器輸出電壓供電的偏置電路用於產生第二偏置 電流，所述的數控調節電路根據用戶對低壓差穩壓器輸出電壓的要求產生一個調節信號， 所述的偏置電流切換電路用於根據數控調節電路的控制信號對第一偏置電流和第二偏置 電流進行選擇後產生第一偏置電壓、第二偏置電壓和一個參考電壓；誤差放大器，由第一誤差放大器和第二誤差放大器組成，第一誤差放大器和第二 誤差放大器的輸出端相連，其中所述的第一誤差放大器由外部電源供電，用於接受來自參 考電壓產生電路產生的第一偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋 電壓，並且對參考電壓和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓，其中所述 的第二誤差放大器由低壓差穩壓器輸出電壓供電，用於接受來自參考電壓產生電路產生的 第二偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋電壓，並且對參考電壓 和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓；
低壓差穩壓器輸出電路，由大PMOS管、頻率補償電路、電阻分壓電路和電源濾波 電路組成，其中所述的大PMOS管的源極與外部電源相連，大PMOS管的柵極與誤差放大器的 輸出電壓相連，大PMOS管的漏極同時與低壓差穩壓器的輸出端、電源濾波電路、頻率補償 電路的輸入端和電阻分壓電路的輸入端相連，其中所述的頻率補償電路的輸出端同時與電 阻分壓電路的輸出端和誤差放大器相連，用於保證低壓差穩壓器反饋電壓的穩定，其中所 述的電阻分壓電路用於從低壓差穩壓器的輸出電壓中分出反饋電壓，其中所述的電源濾波 電路用於低壓差穩壓器輸出電壓進行濾波。以下結合附圖，介紹本發明的內容。如圖1所示的是本發明提出的可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器的 結構框圖，本發明由三大部分組成，這三部分分別是參考電壓產生電路、誤差放大器電路和 低壓差穩壓器輸出電路。偏置電流切換電路的實質是偏置電壓切換電路。通過參考電壓產 生電路中的可調電阻R304數控調節LDO的參考電壓，從而能夠調節數控調節LDO的輸出電 壓。誤差放大器電路可以理解為兩個不同時工作的誤差放大器，分別是第一誤差放大器和 第二誤差放大器，第一誤差放大器是通過外部電源供電的而第二誤差放大器則是由LDO輸 出電壓來供電。實際上第一誤差放大器和第二誤差放大器並不是完全分開，兩者共享了很 大一部分電路，具體細節之後有詳細的闡述。究竟是第一誤差放大器工作還是第二誤差放 大器工作，是由偏置電流切換電路通過輸入給第一誤差放大器和第二誤差放大器的偏置電 壓來控制的。另外參考電壓產生電路為誤差放大器電路提供參考電壓，連接到第一誤差放 大器和第二誤差放大器的負端。誤差放大器輸出電壓控制低壓差穩壓器輸出電路的大PMOS 管，大PMOS管輸出電壓就是LDO輸出電壓，該電壓經過電阻分壓網絡分壓得到的電壓輸出 到第一誤差放大器和第二誤差放大器的正端，從而形成了 LDO的反饋控制環路。由於該LDO 的反饋控制環路是二級環路，為保證其穩定性，通常需要頻率補償電路。通常LDO輸出都會 有電源濾波電容濾除LDO輸出的高頻噪聲，如圖1中電源濾波模塊所示。圖2所示是圖1中偏置電路的一種實施方式，當然偏置電路包含但是不限於圖2 所示電路的實現方法。偏置電路的輸出為電流，輸出到圖1中的偏置電流切換電路中，在圖 3的實現中，即分別替換了圖3中的電流105和電流106。圖1中兩個偏置電流模塊通常可 以採用相同的電路實現形式，但是也可以採用不同的實現形式。電阻R201，NMOS管M202、 M203構成Vt/R電流源，而電阻R204決定通過NMOS管M202的直流電流，從而決定該MOS管 的柵源電壓。圖3是圖1中偏置電流切換電路的一種具體實現形式。圖3中有三個輸出電壓，分 別是兩個偏置電壓VPBl和VPB2，以及一個參考電壓VREF。這裡的電流切換電路是由圖3中 兩個Vth倍乘器構成的，其中1個Vth倍乘器是由電阻R303、數控電阻R304、NM0S管M302、 M305和M306構成。該Vth倍乘器電路由電流源105經過PMOS電流鏡M312、M313摺疊提 供偏置電流，而其輸出電流則流經漏柵相接的PMOS管M314產生偏置電壓VPBl。NMOS電容 M327的作用是保證該Vth倍乘法器負反饋環路的穩定性，該負反饋環路從NMOS管M302的 柵極經過匪OS管M302、M305到M305的柵極，然後通過NMOS管M306和數控電阻R304回到 M302的柵極。特別值得說明的是，上述Vth倍乘器的電流是由片外電壓提供的。另外一個 Vth倍乘器電路則是由電阻R303、數控電阻R304、NM0S管M301、M307和M308構成。該Vth 倍乘器電路由電流源106經過PMOS電流鏡M309、M310摺疊提供偏置電流，而其輸出電流則流經漏柵相接的PMOS管M311產生偏置電壓VPB2。NMOS電容M328的作用是保證該Vth倍 乘法器負反饋環路的穩定性，該負反饋環路從NMOS管M302的柵極經過NMOS管M301、M307 到匪OS管M308的柵極，然後通過匪OS管M308和數控電阻R304回到匪OS管M302的柵極。 與前一個Vth倍乘器不同，上述Vth倍乘器的電流是由LDO輸出電壓提供的。電阻R303和 數控電阻R304是兩個Vth倍乘器共享的，兩個Vth倍乘器因此具有公共的輸出參考電壓 VREF0所謂切換電流是指通過數控電阻R303和數控電阻R304的電流通過NMOS管M306和 M308進行切換，如果電流經過NMOS管M306流向PMOS管M314，則VPBl提高有效的偏置。反 之如果該電流經過NMOS管M308流向PMOS管M311，則VPB2提高有效的偏置。具體如何控 制上述切換電流的動作將在之後進行闡述。圖4是圖1中誤差放大器的一種具體實現形式，該誤差放大器實質上包括了由外 部電源提供電流的第一誤差放大器和由LDO輸出電壓提供電流的第二誤差放大器。第一 誤差放大器由差分輸入PMOS管M410、M411，尾電流源M419，匪OS電流源M407、M408，電阻 R403、R404,共柵NMOS管M412、M413、M414、M415，以及作為有源負載的PMOS電流鏡M422、 M423構成。另外該放大器還有由PMOS電流鏡M420、M421，NM0S管M405、M406、M409、M4100 以及電阻R401、R402構成的偏置電路。而第二誤差放大器由差分輸入PMOS管M410、M411， 尾電流源 M416，NMOS 電流源 M407、M408,電阻 R403、R404,共柵 NMOS 管 M412、M413、M414、 M415，以及作為有源負載的PMOS電流鏡M422、M423構成。另外該放大器還有由PMOS電流 鏡M417、M418，匪OS管M405、M406、M409、M4100以及電阻R401、R402構成的偏置電路。實 際上如圖4所示，第一誤差放大器和第二誤差放大器共享了很大一部分電路，但是從電源 紋波抑制來說，兩者有很大的差別。當LDO切換到第二種狀態，誤差放大器或者說整個LDO 除了 PMOS電路鏡M422、M423連接到外部電源上之外，其餘的電路和偏置都由LDO輸出電壓 來提供電流，因此能夠大大的提高LDO的電源紋波抑制。另外電容M424的目的是用來進行 頻率補償的，並且和NMOS管M413、M415構成零點，改善環路的相位裕量。圖5是圖1中低壓差穩壓器輸出電路的一種具體實現形式，基本由下列模塊組成 大PMOS管、電阻分壓電路、電源濾波電路以及頻率補償電路。大PMOS管M112漏極連接到 LDO輸出電壓，該電壓經過電阻R502和R501分壓然後反饋到誤差放大器的正端輸入，而誤 差放大器的輸出控制大PMOS管M112的柵極，從而形成LDO的反饋控制環路。圖5表示的是 傳統結構的LDO結構，本發明所設計的LDO也是採用這種最為傳統的基本框架結構，同時還 具有另外三個特點首先，本發明的LDO採用基於Vth倍乘器結構來提供低噪聲的LDO參考 電壓；其次，該LDO輸出電壓能夠數控調節，在具體電路實現中，該功能是通過調節作為LDO 參考電壓的Vth倍乘器的電阻從而來調節LDO的輸出電壓的。最後，在上電之初，該LDO能 夠通過偏置電壓的切換電路將參考電壓產生電路、誤差放大器偏置電路以及差分輸出對的 電源從原來的外部電源切換到LDO自身提供的輸出，從而能夠保證該LDO能夠具有很好的 電源紋波抑制。以下介紹圖1中所示的偏置電流切換電路的具體工作過程。本發明的LDO具有 兩個工作狀態，剛上電時，在LDO輸出電壓沒有建立到一定幅度之前，由LDO輸出供電的偏 置電流電路、參考電壓產生電路以及第二誤差放大器都不能夠工作，此時的LDO和傳統的 LDO工作模式幾乎沒有任何區別；而當LDO輸出電壓建立到一定幅度之後，偏置電流切換電 路發生切換動作之後，LDO輸出供電的偏置電流、參考電壓產生電路以及第二誤差放大器開
6始工作，並且有部分電路在切換動作之後將不再工作，具體說來就是圖1所示第一誤差放 大器。下面來分析偏置電流切換的具體過程之前已經有過闡述，2個Vth倍乘器共享電阻 R303和數控電阻R304。所謂電流切換是指發生在圖3中輸出參考電壓VERF節點，通過上 述兩個共享電阻的電流在NMOS管M306和M308之前切換。如果電流切換到NMOS管M305， 那麼電流在PMOS管M314產生偏置電壓VPBl ；而PMOS管M311由於沒有電流通過，從而處 於關斷的狀態。此時，在圖4中的PMOS電流源M419、M420、M421工作，而此時PMOS電流 源M416、M417、M418關斷。此時即相當於圖1中第二誤差放大器沒有工作，而第一誤差放 大器處於工作狀態。相反如果電流切換到NMOS管M306，那麼電流在PMOS管M311產生偏 置電壓VPB2 ；而PMOS管M314由於沒有電流通過，從而處於關斷的狀態。此時，在圖4中的 PMOS電流源M416、M417、M418工作，而此時PMOS電流源關斷M419、M420、M421。此時即相 當於圖1中第一誤差放大器沒有工作，而第二誤差放大器處於工作狀態。那麼究竟上述的 偏置電流切換過程是如何被控制發生的？問題的關鍵在於需要電路需要以下兩個條件條 件1，NM0S管M301的長度(以下記為L)遠遠大於NMOS管M302的L，而NMOS管M301的寬 長比W/L遠遠小於NMOS管M302的W/L。條件2，NMOS管M308的襯底和源極相連。當滿足 條件1時有以下兩個結果結果1，如果NMOS管M301、M302通過的電流近似相等的話，那麼 NMOS管M301的Vgs電壓遠遠高於NMOS管M302的Vgs電壓，這個結果將直接導致NMOS管 M307的柵極電壓高於NMOS管M305的柵極電壓，從而保證電流能夠流向NMOS管M308，而不 是NMOS管M306 ；結果2 =NMOS管M301的Vth比NMOS管M302的Vth小，這個結果能夠保證 的是在狀態沒有切換之前，NMOS管M301不會被關斷。否則如果NMOS管M301被關斷，將不 能保證由電阻R303、數控電阻R304、NM0S管M301、M307和M308構成的Vth倍乘器工作，也 就不能保證上述結果1，即不能保證NMOS管M301的Vgs電壓遠遠高於NMOS管M302的Vgs 電壓。當滿足條件2時，即NMOS管M308襯底源極短接時，NMOS管M308的Vth將小於NMOS 管M307的Vth，這樣有助於電流完全切換到NMOS管M308，從而保證第二誤差放大器工作， 而第一誤差放大器完全關斷。NMOS電容M327、M328的作用是分別保證上述2個Vth倍乘 器環路的穩定性。
權利要求
一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，其特徵在於該穩壓器包括參考電壓產生電路，由外部電源供電的偏置電路、低壓差穩壓器輸出電壓供電的偏置電路、偏置電流切換電路和數控調節電路組成，其中所述的外部電源供電的偏置電路用於產生第一偏置電流，所述的低壓差穩壓器輸出電壓供電的偏置電路用於產生第二偏置電流，所述的數控調節電路根據用戶對低壓差穩壓器輸出電壓的要求產生一個調節信號，所述的偏置電流切換電路用於根據數控調節電路的控制信號對第一偏置電流和第二偏置電流進行選擇後產生第一偏置電壓、第二偏置電壓和一個參考電壓；誤差放大器，由第一誤差放大器和第二誤差放大器組成，第一誤差放大器和第二誤差放大器的輸出端相連，其中所述的第一誤差放大器由外部電源供電，用於接受來自參考電壓產生電路產生的第一偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋電壓，並且對參考電壓和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓，其中所述的第二誤差放大器由低壓差穩壓器輸出電壓供電，用於接受來自參考電壓產生電路產生的第二偏置電壓和參考電壓，以及來自低壓差穩壓器輸出電路的反饋電壓，並且對參考電壓和反饋電壓進行比較和放大，得到誤差放大器的輸出電壓；低壓差穩壓器輸出電路，由大PMOS管、頻率補償電路、電阻分壓電路和電源濾波電路組成，其中所述的大PMOS管的源極與外部電源相連，大PMOS管的柵極與誤差放大器的輸出電壓相連，大PMOS管的漏極同時與低壓差穩壓器的輸出端、電源濾波電路、頻率補償電路的輸入端和電阻分壓電路的輸入端相連，其中所述的頻率補償電路的輸出端同時與電阻分壓電路的輸出端和誤差放大器相連，用於保證低壓差穩壓器反饋電壓的穩定，其中所述的電阻分壓電路用於從低壓差穩壓器的輸出電壓中分出反饋電壓，其中所述的電源濾波電路用於低壓差穩壓器輸出電壓進行濾波。
全文摘要
本發明涉及一種可數控的低噪聲高電源紋波抑制低壓差穩壓器，屬於集成電路技術領域。包括由外部電源供電的偏置電路、低壓差穩壓器輸出電壓供電的偏置電路、偏置電流切換電路和數控調節電路組成的參考電壓產生電路，由第一誤差放大器和第二誤差放大器組成的誤差放大器，以及由大PMOS管、頻率補償電路、電阻分壓電路和電源濾波電路組成的低壓差穩壓器輸出電路。本發明的低壓差穩壓器，通過控制Vth倍乘器中的電阻控制片上LDO的參考電壓，從而數控調節片上LDO的輸出電壓。數控調節功能能保證LDO在不同的工作條件下，使輸出電壓更好地滿足設計要求。本發明所設計的LDO具有低噪聲、高電源紋波抑制、可數控等特點。
文檔編號G05F1/56GK101881983SQ20101014789
公開日2010年11月10日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者張國先, 張龍, 牟英良, 王佳, 羅可欣, 解學明, 陳琳 申請人:北京利雲技術開發公司