专利名称：一种超低功耗的动态补偿电路及应用该电路的线性调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种补偿电路和一种线性调节器，特别是一种超低功耗的动态补偿电 路及应用该电路的线性调节器。
背景技术：
低压降线性调节器(LD0:Low Drop-out Regulator)是电源管理芯片的一个重要 分支，与开关电源技术相比，低压降线性调节器具有结构简单、成本低、噪声小、功耗低以及 无电磁干扰等优点，所以在便携式电子系统中得到广泛的应用。如图1所示，一个传统的低压降线性调节器由基准产生模块、误差放大器、输出器 件和电阻分压网络组成，而负载电阻RL和负载电容CL共同组成线性调节器的负载。基准 产生模块产生一个温度系数很小的带隙(bandgap)基准电压Vref，而电阻分压网络对输出 电压Vout进行采样并分压得到反馈电压Vfb，Vref和Vfb分别作为误差放大器的输入信 号，误差放大器根据两输入信号的大小，改变输出器件的栅极电压Vg来调整输出器件的导 通程度，从而保证输出电压Vout在各种负载条件下基本不变。负载电容CL在系统中具有零极点补偿的作用，它分别与输出器件的导通电阻和 其本身的等效串联电阻(ESR :EquiVelent SeriesResistor)形成一个极点和一个零点。为 了保证系统在任何负载的条件下都保持稳定，在应用中一般取很大的CL值(uF级)来使得 输出极点为系统的主极点。然而在目前的半导体工艺中，想在芯片中集成一个uF级的电容 几乎是不可能的，所以CL 一般采用片外的分立电容来实现，这样势必会占用芯片的管脚并 且增加电路板的面积和外围器件的数目，从而造成系统成本的增加。因此，设计一种既能在 所有负载条件下都保持稳定，又无需片外负载电容的线性调节器是很有必要的，也是当今 研究的热点技术。近年来，已有不少的文献提出了一些技术来保证无电容型线性调节器的稳定性， 主要有采用低导通电阻的输出器件、密勒补偿技术、零点补偿技术及有源电容技术等。但 是，目前的技术都或多或少存在一些不足之处，如采用低导通电阻的输出器件的方法，就对 工艺要求较高，或者需要采用电荷泵技术而对系统引入较大的噪声；零点补偿技术则要么 受成本和精度的限制，要么难以实现真正无电容工作；有源电容技术则电路复杂，而且功耗 难以接受，而较常用的密勒补偿技术，也往往因为要加入额外的运放而增加电路的复杂度 和功耗。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种超低功耗且结构简单的动态 补偿电路。所述动态补偿电路能根据线性调节器的输出负载条件动态地调整系统中的零点 位置，保证系统在各种负载条件下都能稳定地工作。本发明的另一个目的是提供一种应用上述超低功耗动态补偿电路的线性调节器。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种超低功耗的动态补偿电路，包括一动态密勒补偿模块，其用于改变补偿的零点位置；一输出电流检测模块，其用于检测线性调节器的输出电流，并输出相应的控制信 号；一控制模块，其根据输出电流检测模块的输出信号，产生相应的控制信号，动态地 控制动态密勒补偿模块，从而改变线性调节器的补偿零点的位置。进一步，所述动态密勒补偿模块包括一可变电阻(Rz)和一密勒补偿电容(C。)，所 述可变电阻(Rz)和密勒补偿电容(C。)串联连接，所述可变电阻(Rz)的控制端与控制模块 的输出端连接。进一步，所述动态密勒补偿模块包括一固定电阻(R。)、一 NM0S管(Mn2)和一密勒 补偿电容(C。)，所述固定电阻(R。)与NM0S管(Mn2)的源极和漏极并联后再与密勒补偿电 容(C。)串联，所述NM0S管(Mn2)的栅极与控制模块的输出端连接。一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，所述线性调节器的误差放大器的 输出端和线性调节器的输出端之间连接有一超低功耗动态补偿电路。进一步，所述的线性调节器的误差放大器的输出端还连接有一输出缓冲器，所述 输出缓冲器的输入端与超低功耗动态补偿电路的输入端连接，所述超低功耗动态补偿电路 的输出端与线性调节器的输出端连接。进一步，所述动态补偿电路的输出电流检测模块与控制模块由一 PM0S管(Mpl)和 一NM0S管(Mnl)组成，所述NM0S管(Mnl)的源极接地、栅极接基准电压，所述NM0S管(Mnl) 的漏极与PM0S管(Mpl)的漏极相连并作为控制输出端与动态密勒补偿模块的控制输入端 连接，所述PM0S管(Mpl)的源极接线性调节器的输入电压、栅极接线性调节器的误差放大 器的输出端。更进一步，所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的尺寸远小于线性调节器输出器 件的尺寸。更进一步，所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的宽长比远小于线性调节器输出 器件的宽长比。本发明的有益效果是本发明超低功耗的动态补偿电路中输出电流检测模块负责 检测线性调节器的输出负载电流，其输出信号反映了调节器的不同输出负载情况，而控制 模块根据输出电流检测模块的不同输出信号产生相应的控制信号来控制可变电阻的阻值， 从而改变系统中补偿零点的位置，使得系统中的补偿零点动态的跟随线性调节器输出电流 的改变而改变，保证系统在各种输出负载的条件下都能保持稳定的工作。本发明动态补偿 电路结构简单、实用且总功耗小于luA，比现有技术中常用到的运算放大器等附加模块大大 减少了电路的功耗。本发明的另一个有益效果是应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器可以在无 片外输出电容时，能有效保证各种输出负载的应用条件下都能保持稳定的工作，同时由于 所占芯片面积和功耗很小，大大降低了芯片生产和应用的成本。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是传统线性调节器的结构示意图；图2是本发明超低功耗动态补偿网络的结构示意图；图3是根据本发明的超低功耗动态补偿电路的优选实施例。
具体实施例方式密勒效应(Miller effect)是指在放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄 生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大 电路电压放大倍数。密勒效应是以约翰 米尔顿 密勒命名的。1919年或1920年密勒在 研究真空管三极管时发现了这个效应，但是这个效应也适用于现代的半导体三极管。密勒补偿利用密勒效应的一种补偿方式，其可以用较小的电容值来获得较大等 效电容的补偿效果。参照图2，一种超低功耗的动态补偿电路，包括一动态密勒补偿模块，其用于改变补偿的零点位置；一输出电流检测模块，其用于检测线性调节器的输出电流，并输出相应的控制信 号；一控制模块，其根据输出电流检测模块的输出信号，产生相应的控制信号，动态地 控制动态密勒补偿模块，从而改变线性调节器的补偿零点的位置。进一步，所述动态密勒补偿模块包括一可变电阻(Rz)和一密勒补偿电容(C。)，所 述可变电阻(Rz)和密勒补偿电容(C。)串联连接，所述可变电阻(Rz)的控制端与控制模块 的输出端连接。进一步，所述动态密勒补偿模块包括一固定电阻(R。)、一 NM0S管(Mn2)和一密勒 补偿电容(C。)，所述固定电阻(R。)与NM0S管(Mn2)的源极和漏极并联后再与密勒补偿电 容(C。)串联，所述NM0S管(Mn2)的栅极与控制模块的输出端连接。一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，所述线性调节器的误差放大器的 输出端和线性调节器的输出端之间连接有一超低功耗动态补偿电路。进一步，所述的线性调节器的误差放大器的输出端还连接有一输出缓冲器，所述 输出缓冲器的输入端与超低功耗动态补偿电路的输入端连接，所述超低功耗动态补偿电路 的输出端与线性调节器的输出端连接。进一步，所述动态补偿电路的输出电流检测模块与控制模块由一 PM0S管(Mpl)和 一NM0S管(Mnl)组成，所述NM0S管(Mnl)的源极接地、栅极接基准电压，所述NM0S管(Mnl) 的漏极与PM0S管(Mpl)的漏极相连并作为控制输出端与动态密勒补偿模块的控制输入端 连接，所述PM0S管(Mpl)的源极接线性调节器的输入电压、栅极接线性调节器的误差放大 器的输出端。更进一步，所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的尺寸远小于线性调节器输出器 件的尺寸。更进一步，所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的宽长比远小于线性调节器输出 器件的宽长比。动态补偿网络跨接于误差放大器的输出与线性调节器的输出点之间(当误差放 大器带有缓冲器，则跨接于缓冲器的输入端和线性调节器的输出点之间)，形成密勒补偿网
根据密勒效应可以推导出补偿电容在误差放大器的输出点处的等效电容为补偿 电容的物理值和输出器件与其负载提供的增益的乘积，即 _] Ce = CcXgfflXR0其中gm为输出器件的跨导，它随着线性调节器输出电流的增大而增大，Ro为线性 调节器输出点到地的等效阻抗。通过对图2的系统进行交流分析可以得到该系统的主要零 极点分布为第一极点位于误差放大器的输出点处，其频率大小为Pl = -1/(^X0,)；第二极点位于线性调节器的输出点处，其频率大小为p2 = -1 (R。XC。)；第一零点由补偿电阻和等效补偿电容组成，其频率大小为Zl = "l/(RzXCe)。其中R1为误差放大器输出点对地的等效电阻，Co为线性调节器输出点对地的等 效电容，它等于补偿电容Cc与输出点寄生电容的和。由于输出器件的具有很小的导通电 阻，所以Ro约等于输出器件的导通电阻。在实际的设计中，常常选择适当的补偿电阻的阻值使得零点与第二个极点对消来 提高系统的稳定性，即P2 = Zl，所以可以推出补偿电阻的大小为RZ ^ C。/(gmXC。)。当补偿电阻Rz过小时，零点位置偏向高频，零点频率大于第二极点频率，会造成 系统的相位快速下降，导致系统相位裕度不足而引起系统的不稳定；而当补偿电阻Rz过大 时，零点频率小于第二极点，虽然系统的相位裕度增加，但是增益裕度却减小，系统也容易 不稳定。综上所述，为了使系统在各种输出负载的条件下都保持稳定，必须根据线性调节 器的输出负载的情况动态的调节系统零点的位置来保证系统的相位裕度和增益裕度都在 稳定的范围内，从而保证系统的稳定性。图3为根据本发明的一种超低功耗的动态密勒补偿电路的具体实例，如图所示， 动态密勒补偿电路中的动态补偿网络由补偿电容Cc、补偿电阻Rc以及NM0S管Mn2组成，Rc 与Mn2并联构成可变电阻。输出电流检测模块由一个PM0S管Mpl构成，其源极和栅极的连 接与输出器件的相同，分别接线性调节器的输入电压Vin和误差放大器的输出点Vg，因此 它们具有相等的栅源电压，从而流过它们的电流的比值等于它们尺寸的比值，所以流过Mpl 的电流L按照比例关系反映了线性调节器输出电流的大小，这里Mpl的尺寸远小于输出器 件的尺寸，使得电流L小于luA以节省功耗。控制模块由一 NM0S管Mnl组成，其栅极接基 准电压Vref，源极接地，漏极与Mpl的漏极相接并作为控制模块的输出节点，Mnl采用很小 尺寸以减小电路功耗。控制模块的输出点Vctr接到Mn2的栅极，这样通过改变Vctr的电 压值就可以改变Mn2的导通电阻，从而改变总的补偿电阻的大小一改变系统中补偿零点的 位置。由于NM0S管Mn2栅极具有无穷大的直流阻抗，所以Mpl和Mnl组成的支路中没有 其他的电流流入或流出的节点，根据基尔霍夫电流定理，最终L必将等于流过Mnl的电流 12。而由于M0S管具有沟道长度调制效应，在栅源电压不变的条件下，流过M0S管的电流会 随着漏源电压的增加(减小)而增加(减小)，因此在实际的工作中，Mpl和Mnl会通过改 变本身的漏极电压(亦即控制电压Vctr)来使得流过它们的电流相等。当线性调节器的输 出电流增大时，误差放大器的输出电压下降使得输出器件导通电阻减小，Mpl的源栅电压增加，L增大而大于12，这时电路会通过自身的调节增大Vctr来减小L而增加12，使得最终 I = 12 ；反之，当线性调节器的输出电流减小的时候，Mpl的源栅电压减小，L减小而小于 12，电路会减小Vctr使得= 12。因此，采用了本发明的电路，在线性调节器输出电流较大的时候，控制信号Vctr 增大，Mn2的导通程度加强，导通电阻减小，所以总的等效补偿电阻减小，系统零点向高频移 动来获得较高的增益裕度。反之，当线性调节器的输出电流较小的时候，控制信号Vctr减 小，Mn2的导通电阻增加，系统零点向低频移动来保证较高的相位裕度。综上所述，采用了该动态补偿电路以后，系统可以根据线性调节器的输出电流的 大小，动态的调整系统的补偿零点的位置，保证整个线性调节器系统在所有的输出负载条 件下都保持稳定。同时也保证了系统具有较高的带宽，改善系统的瞬态响应。而且该动态 补偿电路具有小于luA的超低功耗，并且结构简单、占用芯片面积小，大大降低了芯片生产 和应用的成本。以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施 例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替 换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求
一种超低功耗的动态补偿电路，其特征在于包括一动态密勒补偿模块，其用于改变补偿的零点位置；一输出电流检测模块，其用于检测线性调节器的输出电流，并输出相应的控制信号；一控制模块，其根据输出电流检测模块的输出信号，产生相应的控制信号，动态地控制动态密勒补偿模块，从而改变线性调节器的补偿零点的位置。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗的动态补偿电路，其特征在于所述动态密勒 补偿模块包括一可变电阻(Rz)和一密勒补偿电容(C。)，所述可变电阻(Rz)和密勒补偿电容 (C。)串联连接，所述可变电阻(Rz)的控制端与控制模块的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种超低功耗的动态补偿电路，其特征在于所述动态密勒 补偿模块包括一固定电阻(R。)、一 NM0S管(Mn2)和一密勒补偿电容(C。)，所述固定电阻 (R。)与NM0S管(Mn2)的源极和漏极并联后再与密勒补偿电容(C。)串联，所述NM0S管(Mn2) 的栅极与控制模块的输出端连接。
4.一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，其特征在于所述线性调节器的误 差放大器的输出端和线性调节器的输出端之间连接有一超低功耗动态补偿电路。
5.根据权利要求4所述的一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，其特征在 于所述的线性调节器的误差放大器的输出端还连接有一输出缓冲器，所述输出缓冲器的 输入端与超低功耗动态补偿电路的输入端连接，所述超低功耗动态补偿电路的输出端与线 性调节器的输出端连接。
6.根据权利要求4所述的一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，其特征在 于所述动态补偿电路的输出电流检测模块与控制模块由一 PM0S管(Mpl)和一 NM0S管 (Mnl)组成，所述NM0S管(Mnl)的源极接地、栅极接基准电压，所述NM0S管(Mnl)的漏极 与PM0S管(Mpl)的漏极相连并作为控制输出端与动态密勒补偿模块的控制输入端连接，所 述PM0S管(Mpl)的源极接线性调节器的输入电压、栅极接线性调节器的误差放大器的输出 端。
7.根据权利要求6任一项所述的一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，其特 征在于所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的尺寸远小于线性调节器输出器件的尺寸。
8.根据权利要求6任一项所述的一种应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，其特 征在于所述PM0S管(Mpl)和NM0S管(Mnl)的宽长比远小于线性调节器输出器件的宽长 比。
全文摘要
本发明公开了一种超低功耗的动态补偿电路及应用该电路的线性调节器，动态补偿电路包括一动态密勒补偿模块；一输出电流检测模块；一控制模块。应用超低功耗动态补偿电路的线性调节器，所述线性调节器的误差放大器的输出端和线性调节器的输出端之间连接有一超低功耗动态补偿电路。本发明动态补偿电路和应用该电路的线性调节器结构十分简单且实用，能有效保证各种输出负载的应用条件下都能保持稳定的工作，该动态补偿电路只有小于1uA的超低功耗，同时由于所占芯片面积很小，大大降低了芯片生产和应用的成本。本发明作为一种超低功耗的动态补偿电路及应用该电路的线性调节器广泛应用于电源管理应用过程中。
文档编号G05F1/565GK101847028SQ20101015155
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者张建强, 徐肯 申请人:广州市广晟微电子有限公司