一種高電源噪聲抑制的低壓差電壓調節器的製作方法

2023-09-19 07:08:40

專利名稱：一種高電源噪聲抑制的低壓差電壓調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓調節器，具體來說涉及電壓調節器中的電源 噪聲抑制。
背景技術：
隨著可攜式電子設備不斷發展，其內的各種電子元件和集成電路 的性能不斷提高，低壓差電壓調節器作為其中廣泛使用的集成電路， 其性能對便攜設備的性能至關重要，特別是對電源噪聲的抑制能力的 要求越來越高。在一個供電系統中，由於許多供電支路都接在同一電源上，其中 支路負栽變化都會影響到輸入電源的變化，特別是在電池供電的系統 中，由於電池的內阻很大，電池端的電壓變化會很劇烈，由此產生較 高的電源噪聲。目前也有許多電壓調節器接在開關式直流-直流電壓轉換器後，這 種應用中對電壓調節器的電源噪聲抑制能力要求也很高。對音頻段電 源噪聲的抑制能力尤為重要，因為很大程度上影響著輸出音質，特別是在MP3， MP4和手機的應用中。人類耳朵能識別的頻率大約在 0-20KHz,特別對5KHz至20KHz的頻率很敏感。 一般電壓調節器在低 頻下的電源噪聲抑制能力都很強，但在lKHz 10KHz的頻率附近開始 迅速下降.由此可見，提高低壓差電壓調節器在5KHz至100KHz頻段 的電源噪聲抑制能力很有必要。發明內容本發明的目的是提高低壓差電壓調節器在較高頻段的電源噪聲抑 制能力，為此，本發明提供一種低壓差電壓調節器，包括電壓輸入端和電壓 輸出端，與連接在電壓輸入端上的第一級運算放大器，第二級共源放大 器和第三級輸出電路，其中笫一級運算放大器的輸出端與笫二M^t大器的輸入端相連，第二級放大器的輸出端與第三級輸出電路的輸入端 相連，第三級輸出電路的輸出端與調製電壓輸出端相連，其中所述調 節器還包括連接在調製電壓輸出端和第一級運算放大器的反相輸入端之間的反饋網絡，第一級運算放大器的正相輸入端接收參考電壓；其特 徵在於所述調節器還包括連接在第二級共源放大器的輸出端和第一級 運算放大器正相輸入端一側的負栽電流鏡的柵極之間的反饋電容。與傳統電壓調節器相比，本發明特別提高了電壓調節器在較高頻 段(包括5KHz-100KHz頻率在內)的電源噪聲抑制能力，即在更寬的 頻段上具有高電源抑制能力。


下面將參照附圖對本發明的具體實施方案進行更詳細的說明，附 圖中圖l是根據本發明第一實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖； 圖2給出了圖1的小信號等效電路圖； 圖3是根據本發明笫二實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖； 圖4是根據本發明第三實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖； 閨5是根據本發明第四實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖； 困6給出了使用Cadence軟體仿真出的RR的曲線；以及 圖7描述了困l所示實施方案的一種結構化的原理圖。
具體實施方式
目前許多現有技術都採用了三級放大器的結構來i更計低壓差電壓調節 器，其優點是增益大、帶寬高，在較寬的頻率範圍內可以得到較高的電源 噪聲抑制能力，本發明的各實施方案由此三亂故大器改進而來，圖l是根據本發明笫1實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖.如圖1所示，整個低壓差電壓調節器由第一^"導運算放大器，第二 級共源放大器，第三級輸出電路，反饋網絡和電源電壓抑制增強電路組成。第一財導運算放大器包括MPY4， MP4， MNY2， MN2， MNY3，MN3， MP1， MPYl組成.其中MP1， MPY1組成輸入差分對，MNY2， MN2形成電流鏡，MNY3和MN3形成電流鏡，MPY4和MP4形成電流 鏡，ISS1為尾電流源，尾電流源ISS1，輸入差分對和3個電流鏡一起組 成了第一M導運算放大器(OTA)，這種運算放大器也稱為電流鏡型跨導 運算放大器(CurrentMirrorOTA),當然，該放大器也可以是其它的運算 放大器.第二級共源放大器由MP5，電流源Iss2和補償電路組成，補償電路 由Rm和Cm組成米勒補償.第三級輸出電路由MP6構成，Rfl和Rf2構成反饋網絡。Cx構成電源電壓抑制增強電路。工作時，笫一M導運算放大器比較Vref電壓和>^饋電壓Vf，根據 兩電壓的差產生誤差信號Vd.誤差信號Vd被笫二級共源放大器和第三級 共源放大器放大來輸出電壓V0.如果V0電壓比(1+ Rfl/Rf2)*Vref的電 壓高，第一^導運算放大器將降低Vd的電壓，笫二級共源放大器將使 Ve電壓升高，MP6的電流將減小，Vo將被輸出負栽Ro拉低；反之，如 果Vo電壓比(l十Rfl/Rf2)*Vref的電壓低，笫一^i^導運算放大器將升 高Vd的電壓，第二級共源放大器將使Ve電壓降低，MP6的電流將增加， VO將被拉高，這種負反饋絲於使^等於(1+ Rfl/Rf2)*Vref，即Vref 的電壓等於Vf電壓.當此電壓調節器穩定時，Vo可以穩定的輸出等於(l十 Rfl/Rf2).Vref的電壓，可以為負栽Ro提供一穩定電源，與現有技^M目比，本發明主要增加了反饋電容Cx.通常MP6為面積 非常大的電晶體.這種反饋可以看成是單向反饋，由於MP6柵極的節點(節 點Ve)電^艮大，Cx對這點的影響較小，主要表現為對Vc節點的反饋。 由於電容在低頻下表現為斷路，所以這一電容對增益級的低頻特性幾乎沒 有影響，即不影響低頻的電源噪聲抑制值(Power Supply Ripple Rejection). —般，電源噪聲抑制值根據如下公式定義i / = 201og"^其單位為dB。例如，如果在電源電壓上的直流值上疊加有^值為IV，頻率為lKHz的正弦波噪聲，其在電壓調節器輸出量測到的噪聲幅度為 lmV,則電源噪聲抑制RR=20log(l/l(T3) = 60dB。對於相同幅度的電 源輸入噪聲，如果電壓調節器輸出上的噪聲越小，則其電源噪聲抑制值越 大.圖2給出了圖l的小信號等效電路圖. 假設=及/2忽略gl，根據基爾霍夫定律，可以得到gwl .vfl = vc.gm2 + (vc 一 ve)丄Cx gw2.v6 + w.gw2 + (vc - ve)丄Cx = 0其中gml為MPl的跨導，gl為MPl的輸出電阻，gm2為MN2的 跨導。可以解得v6 — vc =-^-2.gw2 + 2丄dgw2在本設計中一般Cx小於0.5pF,考慮頻率範圍為5K 100KHz，則 s.Cx小於3.14X10-7fl \ —般MP1的長度大於等於4um，對於一種 0.5um工藝來說，Af 0,2/4=0.05，如果MP1的漏極電流IDi=4uA， gl=HD = 0.05X4uA = 2Xl(T7n S gm2=(2.ID2,jJn.Coxn.W/L)1/2，對 於一種0.5um工藝來說，jjn,C。xn 1.34X10_4A/V2. ID2=4uA，如果W/L =8u/8u， gm2=3-27X10-5fl \ f斤以s.Cx gm2。則formula see original document page 7忽略g3和g4，對後續電路繼續列KCL方程fl,(v6 — VC) = (w/ - W).g2W ( 1 )- ve) + (vc - ve)丄Cx + gw5.(v/ - vJ) + (v/ - ve).gz5 = (ve - vo)丄Q/ ( 2 ) (ve - vo)丄Cd + gm6'(W - ve) = vo.g2。 ( 3 )其中，a為第一級電流鏡跨導放大器中電流鏡的複製倍數，等於MN3 與MNY3的寬長比之比。g加為米勒補償元件的導納。l^z附=gm5為MP5的跨導，gz5為MP5漏極到電源之間的寄生導納。其中，g5為MP5的輸出電阻，C5包括MP5的漏極節點(節點ve) 的所有寄生電容之和，如MP5的源漏寄生電容，漏極和其襯底間寄生電容， MP6的柵源寄生電容。Cd為MP6管的柵漏寄生電容。gzo為電壓調節器輸出節點的導納，議o = + s.Co 及oRo為負栽電阻，Co為電壓調節器輸出電容。在等式(2)中，等式左邊的-ve.s.Cx項與與等式右邊的ve.s.Cd項相 比太小，可以忽略，所以(2)可近似為gzwj.(vo - ve) + vc.s.Oc + g7w5.(vz' - vd) + (v/ - ve).g2:5 = (ve - vo)工Q/ (4)在等式(3)中，ve,s.Cd項遠小於ve.gm6項，可忽略；vo,s.Cd遠小 於vo,gzo項，也可以忽略。(3)可以近似為說明書第6/8頁聯立(1),(4),(5)求解可得其中，以50mA (許多商用電壓調節器所標稱的電源噪聲抑制特性的負載條 件)負栽電流為例，假i殳為0.5um的典型CMOS工藝，典型應用中， Co=luF，各種M的大致取值範圍如下f-100KHz時，gzo=0,643; f-5KHz時，gzo=0.0468f-100KHz時，s.Cd=l,26Xl(T5n 1 (如果Cd=20pF); f=5KHz時， s.Cd=0.63X10-5n 1f=100KHz時，s.Cx=3.14X107ft 1 (Oc=0,5pF); f=5KHz時， s,Cx-1.57Xl(T8flr1f=100KHz時，gzm=7.71Xl(T6ft _ 1 (Cm=20pF,Rm=50Kfl); f==5KHz時，gzm=6.09X10 7n-1下面給出一組gm2， gml, gm5， gm6， a, K的設計值例子gm2=3,27X10_5n 1gml=7.83 Xl。-5fl曙1gm5=12.13 Xl(T5n 1gm6=0,46a=4K= 1/3,6在Y等式中，可以看出由於s.Cx相當小，s.Cx< <gzm ， s.Cx< <gm5,s.Cx gm2，可以近似忽略Y式中包含Cx的各項所以可以看出增加Cx的^Jt，對Y項的影響可以忽略。 由於s,Cx<<gm2JLgzm<<gm5，可以近4以得到增加Cx的反饋後有助於減少|Z| 。所以增加Cx的反饋後有助於增加也有助於增加vo一般為了不影響穩定性，CX不宜取得過大， 一般在取值0.05pF 0.5pF。圖7描述了圖l所示實施方案的一種結構化的原理圖。圖3是^L據本發明笫2實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖。與圖 l相比，進一步增加了電容Cc，連接在MP6的漏極與電阻Rfl和Rf2之 連接點之間。Cc可以產生一個零點，此零點頻率等於1/(2TT.Cc,Rfl),零點的特性為增加高頻增益和增加相位，此零點有利於穩定性補償，提高環 路帶寬，增加環路帶寬有助於提高高頻段的電源電壓抑制比。圖4是根據本發明笫3實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖，與圖 3相比，困4進一步增加了電阻Ra，連接在Vo和MP6的漏極之間。電阻Ra將在圖3的基礎上再增加一個零點，此零點頻率等於 1/(2TT.Co,Ra)。此零點也有利於穩定性補償，提高環路帶寬，增加環路帶 寬有助於進一步提高高頻段的電源電壓抑制比。困5是^L據本發明第4實施方案的低壓差電壓調節器的電路圖，圖5 與圖4的特性相似，只是零點頻率等於1/(2丌.Co.(Ra/K))，其中K等於 MP6的寬長比與MP6a的寬長比的比值。圖6給出了使用Cadence軟體仿真出的RR的曲線。其中RR1為未增加Cx電容的設計的RR曲線，RR一Cx為增加Cx電 容後的RR曲線。可以看出增加Cx電容後RR在5KHz 100KHz頻率範圍內有明顯改善。顯而易見，在此描述的本發明可以有許多變化，這種變化不能認為 偏離本發明的精神和範圍。比如，前面實施方案所提到的各個電流鏡可以採用其它結構的電流 鏡.尾電流源Issl可以由大阻值的電阻替代。因此，所有對本領域技術人員顯而易見的改變，都包括在本權利要 求書的涵蓋範圍之內。
權利要求
1.一種低壓差電壓調節器，包括電壓輸入端和電壓輸出端，與連接在電壓輸入端上的第一級運算放大器，第二級共源放大器和第三級輸出電路，其中第一級運算放大器的輸出端與第二級放大器的輸入端相連，第二級放大器的輸出端與第三級輸出電路的輸入端相連，第三級輸出電路的輸出端與電壓輸出端相連，其中所述調節器還包括連接在電壓輸出端和第一級運算放大器的反相輸入端之間的反饋網絡，第一級運算放大器的正相輸入端接收參考電壓；其特徵在於所述調節器還包括連接在第二級共源放大器的輸出端和第一級運算放大器正相輸入端一側的負載電流鏡的柵極之間的反饋電容。
2. 如權利要求1所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於第一級運 算放大器是跨導運算放大器。
3. 如權利要求1所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於所述第一 級運算放大器包括一對構成差動放大器的第一 PM0S電晶體和第二 PM0S電晶體，第一電流鏡，第二電流鏡和第三電流鏡；其中第一電流鏡 的輸入支路和第二電流鏡的輸出支路連接，第一電流鏡的輸出支路和 第三電流鏡的輸出支路連接，第二電流鏡的輸入支路和第一PMOS晶體 管的漏極連接，第三電流鏡的輸入支路和第二PMOS電晶體的漏極連接， 第一電流鏡的輸出支路和第三電流鏡的輸出支路之間的節點作為所述 第一級運算放大器的輸出端，其中第三電流鏡作為所述第一級運算放 大器正相輸入端一側的負載電流鏡，第一 PM0S電晶體的柵極是所述第 一級運算放大器的反相輸入端，第二 PM0S電晶體的柵極是所述第一級 運算放大器的正相輸入端。
4. 如權利要求3所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於第一電流 鏡是由一對PM0S電晶體組成的基本電流鏡，
5. 如權利要求3所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於第二電流 鏡和/或笫三電流鏡是由一對NM0S電晶體組成的基本電流鏡。
6. 如權利要求3所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於包括連接 在第一 PM0S電晶體和第二 PM0S電晶體的源極連接點與電壓輸入端之 間的尾電流源.
7. 如權利要求1所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於所述第二 級共源放大器包括第三PM0S電晶體及笫二電流源，其中所述第三PM0S電晶體的源極與電壓輸入端連接，其柵極作為第二級共源放大器的輸 入端，其源極作為第二級共源放大器的輸出端，所述第二電流源連接於所述第三PM0S電晶體的漏極上.
8. 如權利要求1所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於輸出電路 包括第四PM0S電晶體，第四PM0S電晶體的源極連接在電壓輸入端上， 其柵極作為輸出電路的輸入端，並且其漏極作為輸出電路的輸出端。
9. 如權利要求1-8之一所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於反 饋網絡包括連接在電壓輸出端上的串聯連接的第一電阻和第二電阻。
10. 如權利要求9所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於包括與第 一電阻並聯的第二電容.
11. 如權利要求9所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於包括第三 電容與第三電阻，第三電阻連接在輸出電路輸出端和電壓輸出端之間； 第三電容的一端連接在輸出電路輸出端，另一端連接在第二電阻和第 一電阻之間.
12. 如權利要求9所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於包括第五 PM0S電晶體，第四電容和第四電阻；第五PM0S電晶體的柵極與輸出電 路的輸入端相連，其漏極通過第四電阻連接至輸出電路的輸出端；第 四電容的一端連接在第五PM0S電晶體的漏極，另一端連接在第一電阻 和第二電阻之間。
13. 如權利要求3所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於包括米勒 補償電路，連接在第三PM0S電晶體的柵極和漏極之間，
14. 如權利要求13所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於米勒補償 電路包括串聯的第五電阻和第五電容.
15. 如權利要求1所述的低壓差電壓調節器，其特徵在於所述第一 反饋電缽值0.05pF 0,5pF。
全文摘要
本發明披露了一種低壓差電壓調節器，包括電壓輸入端和電壓輸出端，與連接在電壓輸入端上的第一級運算放大器，第二級共源放大器和第三級輸出電路，其中第一級運算放大器的輸出端與第二級放大器的輸入端相連，第二級放大器的輸出端與第三級輸出電路的輸入端相連，第三級輸出電路的輸出端與調製電壓輸出端相連，其中所述調節器還包括連接在調製電壓輸出端和第一級運算放大器的反相輸入端之間的反饋網絡，第一級運算放大器的正相輸入端接收參考電壓；其特徵在於所述調節器還包括連接在第二級共源放大器的輸出端和第一級運算放大器正相輸入端一側的負載電流鏡的柵極之間的反饋電容。與傳統電壓調節器相比，本發明提高了電壓調節器在較高頻段的電源噪聲抑制能力。
文檔編號G05F1/56GK101271344SQ20081010671
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月15日 優先權日2008年5月15日
發明者楊曉東, 釗 王 申請人:北京中星微電子有限公司