一种无片外电容LDO电路的制作方法

一种无片外电容ldo电路
技术领域
1.本技术涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种无片外电容ldo电路。


背景技术：

2.低压差线性稳压器(low dropout regulator，ldo)具有输出电压稳定、抗噪声等功能，被广泛应用于芯片电路中，为芯片中的其他模块提供稳定电压源。
3.目前，ldo分为外接电容型ldo和无片外电容ldo。外接电容型ldo利用外接电容提高ldo的负载瞬态响应能力。但是，外接电容型ldo需在板级应用系统外接一个电容。该设计会增加印刷电路板的面积。而现有的无片外电容ldo的负载瞬态响应能力较差。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本技术提供了一种无片外电容ldo电路，用于输出稳定电压，且提高无片外电容ldo的负载瞬态响应能力。
5.为了实现上述目的，本技术实施例提供的技术方案如下：
6.本技术实施例提供了一种无片外电容低压差线性稳压器ldo电路，所述无片外电容ldo电路包括：稳压单元、第一nmos管、pmos管、第一电流支路、第二电流支路和片内电容；
7.所述稳压单元的输出端用于输出稳定参考电压；
8.所述第一nmos管的栅极和所述稳压单元的输出端相连；所述第一nmos管的栅极用于输入所述稳定参考电压；
9.所述pmos管的栅极和所述第一nmos管的漏极相连，连接点为第一连接点；所述pmos管的漏极和电容的一端相连，连接点为第二连接点，所述第二连接点为所述无片外电容ldo电路的输出端；所述无片外电容ldo电路的输出端用于输出稳定电压；所述pmos管的源极和电源相连；所述电容的另一端接地；
10.所述第一电流支路包括目标数量个相互并联的上电流支路；各个所述上电流支路中均设置有开关；所述第一电流支路的一端和所述电源相连；所述第一电流支路的另一端和所述第一连接点相连；
11.所述第二电流支路包括所述目标数量个相互并联的下电流支路；各个所述下电流支路中均设置有开关；所述第二电流支路的一端接地；所述第二电流支路的另一端和所述第二连接点相连。
12.可选的，所述稳压单元包括：运算放大器、第二nmos管、补偿电容、可调电阻、第一反馈电阻和第二反馈电阻；
13.所述运算放大器包括正向输入端、反向输入端和输出端；所述反向输入端连接输入参考电压；所述运算放大器的输出端为所述稳压单元的输出端；
14.所述第二nmos管的栅极和所述运算放大器的输出端相连；所述第二nmos管的漏极和所述电源相连；所述第二nmos管的源极和所述可调电阻的一端相连，所述可调电阻的另一端连接所述第一反馈电阻的一端，所述第一反馈电阻的另一端连接所述第二反馈电阻的
一端，所述第二反馈电阻的另一端接地；所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻之间存在第三连接点；所述第三连接点连接所述运算放大器的正向输入端；
15.所述补偿电容的一端和所述运算放大器的输出端相连；所述补偿电容的另一端接地。
16.可选的，所述稳压单元为带隙基准电路。
17.可选的，当所述无片外电容ldo电路为待机模式时，目标上电流支路的开关为闭合状态，目标下电流支路的开关为闭合状态；
18.所述目标上电流支路为所述上电流支路中的任一电流支路；所述目标下电流支路为所述下电流支路中的，和所述目标上电流支路相对应的一个电流支路。
19.可选的，当所述无片外电容ldo电路为工作模式时，目标上电流支路的开关为闭合状态，目标下电流支路的开关为闭合状态；
20.所述目标上电流支路为所述上电流支路中的至少一个电流支路；所述目标下电流支路为所述下电流支路中的，和所述目标上电流支路相对应的至少一个电流支路。
21.可选的，当所述无片外电容ldo电路为工作模式时，所述目标上电流支路的数量和所述目标下电流支路的数量相等，且均根据所述无片外电容ldo电路的外接负载确定。
22.可选的，所述目标下电流支路的开关处于闭合状态的时间早于所述目标上电流支路的开关后处于闭合状态的时间。
23.可选的，当所述无片外电容ldo电路为工作模式时，所述可调电阻的阻值为目标阻值；
24.当所述可调电阻的阻值为目标阻值时，所述无片外电容ldo电路的输出端的输出电压达到目标电压。
25.可选的，所述上电流支路的电流小于相对应的所述下电流支路的电流；所述第一电流支路的总电流小于所述第二电流支路的总电流。
26.本技术实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括所述的无片外电容ldo电路。
27.通过上述技术方案可知，本技术具有以下有益效果：
28.本技术实施例提供了一种无片外电容低压差线性稳压器ldo电路，该无片外电容ldo电路包括：稳压单元、第一nmos管、pmos管、第一电流支路、第二电流支路和片内电容。稳压单元的输出端用于输出稳定参考电压。第一nmos管的栅极和稳压单元的输出端相连；第一nmos管的栅极用于输入稳定参考电压。pmos管的栅极和第一nmos管的漏极相连，连接点为第一连接点；pmos管的漏极和电容的一端相连，连接点为第二连接点，第二连接点为无片外电容ldo电路的输出端；无片外电容ldo电路的输出端用于输出稳定电压；pmos管的源极和电源相连；电容的另一端接地。第一电流支路包括目标数量个相互并联的上电流支路；各个上电流支路中均设置有开关；第一电流支路的一端和电源相连；第一电流支路的另一端和第一连接点相连。第二电流支路包括目标数量个相互并联的下电流支路；各个下电流支路中均设置有开关；第二电流支路的一端接地；第二电流支路的另一端和第二连接点相连。
29.在无片外电容ldo电路中，存在由第一nmos管和pmos管组成的环路2。当无片外电容ldo电路的负载增大时，通过pmos管的电流增大，使得环路2的环路增益减小、环路2的环路带宽增大，无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力增强。另外，通过增加第一电流支路
和第二电流支路使得通过第一nmos管的电流增大，同样能使得环路2的环路增益减小、环路2的环路带宽增大，增强无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例提供的一种传统的外接电容ldo电路的结构示意图；
32.图2为本技术实施例提供的一种无片外电容ldo电路的结构示意图；
33.图3为本技术实施例提供的另一种无片外电容ldo电路的结构示意图。
具体实施方式
34.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。
35.为了便于理解和解释本技术实施例提供的技术方案，现先对本技术实施例的背景技术进行说明。
36.目前，ldo电路由于具有输出电压稳定、抗噪声能力的特点，被广泛应用于芯片电路中，为芯片中的其他模块提供稳定的电压源。
37.ldo电路可以分为外接电容ldo电路和无片外电容ldo电路。在外接电容ldo电路中，一般会有一个外接电容，该外接电容充放电能力强，能够提高ldo电路的负载瞬态响应能力。
38.一般传统的ldo电路结构参见图1，图1为本技术实施例提供的一种传统的外接电容ldo电路的结构示意图。如图1所示，外接电容ldo电路包括运算放大器op，nmos管mn，反馈电阻r0和r1。运算放大器op有正向输入端、反向输入端和输出端。反向输入端输入参考电压vref，运算放大器的输出端接nmos管mn的栅极。mn的源极接反馈电阻r1的一端，反馈电阻r1的另一端接反馈电阻r0的一端，反馈电阻r0的另一端接地。反馈电阻r1的另一端接运算放大器op的正向输入端。nmos管mn的漏极接电源。mn的源极和反馈电阻r1的连接点为b点，b点即为ldo电路的输出端。b点连接外接电容cl一端，外接电容cl的另一端接地。由于外接电容cl的存在，使得ldo电路有较强的负载瞬态响应能力。
39.传统的外接电容ldo电路，需要芯片电路多一个pin脚来连接外接电容，这样会增加电路板的设计和体积，不利于芯片的微型化和小型化。而在面对大的电流负载瞬变时，目前的无片外电容ldo电路的输出电压会过冲或跌落到ldo的合理范围之外，造成无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力较差。
40.基于此，本技术实施例提供了一种无片外电容低压差线性稳压器ldo电路，包括：稳压单元、第一nmos管、pmos管、第一电流支路、第二电流支路和片内电容。稳压单元的输出端用于输出稳定参考电压。第一nmos管的栅极和稳压单元的输出端相连，第一nmos管的栅极用于输入稳定参考电压。pmos管的栅极和第一nmos管的漏极相连，连接点为第一连接点。pmos管的漏极和电容的一端相连，连接点为第二连接点，第二连接点为无片外电容ldo电路
的输出端。无片外电容ldo电路的输出端用于输出稳定电压。第一电流支路包括目标数量个相互并联的上电流支路；各个上电流支路中均设置有开关。第二电流支路包括目标数量个相互并联的下电流支路；各个下电流支路中均设置有开关。通过该ldo结构，不仅能输出稳定电压，还能提高ldo电路的负载瞬态响应能力。
41.参见图2，图2为本技术实施例提供的一种无片外电容ldo电路的结构示意图。如图2所示，该无片外电容ldo电路包括：
42.稳压单元、第一nmos管mn0、pmos管mp、第一电流支路ibpx、第二电流支路ibnx和片内电容cl。
43.其中，稳压单元的输出端用于输出稳定参考电压。
44.第一nmos管mn0的栅极和稳压单元的输出端相连；第一nmos管mn0的栅极用于输入稳定参考电压。
45.pmos管mp的栅极和第一nmos管mn0的漏极相连，连接点为第一连接点d；pmos管mp的漏极和电容cl的一端相连，连接点为第二连接点c，第二连接点c为无片外电容ldo电路的输出端ldo_out。无片外电容ldo电路的输出端ldo_out用于输出稳定电压。pmos管mp的源极和电源vdd相连。电容cl的另一端接地gnd。
46.需要说明的是，本实施的结构，使无片外电容ldo电路的输出端ldo_out输出的稳定电压为设置的目标电压。
47.还需要说明的是，电容cl用来增强无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力。电容cl包含寄生电容。通常来说，由于无片外电容ldo电路版图面积有限，电容cl的大小一般为几十到几百pf。在无片外电容ldo电路版图面积允许的情况下，电容cl的值越大越好。
48.第一电流支路ibpx包括目标数量个相互并联的下电流支路；各个下电流支路中均设置有开关。如图1所示，第一电流支路ibpx中设置的开关总称为kpx。第一电流支路ibpx的一端和电源vdd相连；第一电流支路ibpx的另一端和第一连接点d相连。作为一种示例，上电流支路为电流镜。需要说明的是，目标数量可根据无片外电容ldo电路的外接负载确定。
49.第二电流支路ibnx包括目标数量个相互并联的下电流支路；各个下电流支路中均设置有开关。如图1所示，第二电流支路ibnx中设置的开关总称为knx。第二电流支路ibnx的一端接地gnd，另一端和第二连接点c相连。作为一种示例，下电流支路为电流镜。
50.需要说明的是，稳压单元用于为图2所示的环路2(loop2)中的第一nmos管mn0的栅极提供稳定参考电压。作为一种示例，稳压单元为带隙基准电路。作为另一种示例，稳压单元为图3所示稳压单元，具体构成可参见后续图3所示的实施例。可以理解的是，本技术实施例不限定稳压单元的具体结构，只需满足能为第一nmos管mn0的栅极提供稳定的参考电压即可。
51.在本技术实施例中，第一nmos管mn0和pmos管mp组成共源共栅负反馈环路2(loop2)。对于loop2来说，loop2的环路增益av＝a
v0
*a
vp
*β。其中，a
v0
表示过第一nmos管mn0这一共栅放大器的环路增益。通常共栅放大器是一种正向放大器，其增益大小为其跨导乘以到地的阻抗。a
vp
表示经过pmos管mp这一共源级反相放大器的增益，增益大小为mp管跨导*到地的阻抗。β为电阻支路分压系数。loop2的带宽可以达到很大，使得无片外电容ldo电路具有负载高瞬态响应能力，具体可以由以下两点体现。
52.第一点、分析无片外电容ldo电路的负载瞬态响应可以发现，当pmos管mp的电流增
大(即无片外电容ldo电路负载增大)时，经过pmos管mp的跨导增大，摆率增大(摆率＝gm/cl,gm为mp管跨导)。由于pmos管mp跨导增大，等效输出阻抗减小，则loop2的环路增益av会减小。而loop2的环路增益带宽积是一定的，在环路增益av减小的情况下，loop2的环路带宽增大。正因为loop2的环路带宽和摆率均增大，无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力增强。
53.第二点、分析loop2的环路稳定性可以发现，第二连接点c点有几百pf的电容。因此，第二连接点c点为主极点，第一连接点d点为次极点。当无片外电容ldo电路的输出的负载越大时，主极点会向次极点接近，这会导致loop2的稳定性下降。增加通过第一nmos管mn0的电流(即内部负载电流)，会将次极点往远离主极点的方向推，从而增加loop2的稳定性。在本技术实施例中，通过第一电流支路ibpx和第二电流支路ibnx增加了通过第一nmos管mn0的电流，即内部负载电流。当经过第一nmos管mn0的电流增大时，减小了ibpx的导通阻抗，导致loop2的环路增益av降低，从而增大了loop2的带宽，提高了摆率，进而提高了无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力。
54.综上可知，第一nmos管mn0、pmos管mp、第一电流支路ibpx、第二电流支路ibnx和电容cl组成的电路使得无片外电容ldo电路有很高的负载瞬态响应能力。
55.在本技术实施例中，无片外电容ldo电路分为待机模式和工作模式。当无片外电容ldo电路为待机模式时，目标上电流支路的开关为闭合状态，目标下电流支路的开关为闭合状态。其中，目标上电流支路为上电流支路中的任一电流支路。目标下电流支路为下电流支路中的，和目标上电流支路相对应的一个电流支路。作为一种示例，在待机模式时，第一电流支路ibpx中的上电流支路ibp0对应的开关kp0是闭合的。第二电流支路ibnx包括中的下电流支路ibn0对应的开关kn0是闭合的。这样基本可以满足该ldo电路的待机功耗，从而实现该ldo电路的待机低功耗设计。
56.需要说明的是，待机模式下，在闭合开关时，先闭合下电流支路的开关，再闭合上电流支路的开关。当无片外电容ldo电路为待机模式时，目标上电流支路的电流小于目标下电流支路的电流。例如，闭合上电流支路ibp0和下电流支路ibn0所在电路的开关后，上电流支路ibp0的电流小于下电流支路ibn0的电流。
57.当无片外电容ldo电路为工作模式时，目标上电流支路的开关为闭合状态，目标下电流支路的开关为闭合状态。其中，目标上电流支路为上电流支路中的至少一个电流支路。目标下电流支路为下电流支路中的，和目标上电流支路相对应的至少一个电流支路。例如，第一电流支路ibpx中的上电流支路ibp0、ibp1和ibp2对应的开关kp0、kp1和kp2是闭合的。第二电流支路ibnx中的下电流支路ibn0、ibn1和ibn2对应的开关kn0、kn1和kn2是闭合的。
58.可以理解的是，当无片外电容ldo电路由待机模式转换为工作模式时，根据无片外电容ldo电路的负载要求，可能需要增加一定数量的上电流支路和相同数量的下电流支路。此时，需要将上电流支路中的开关和下电流支路的开关闭合以增加电流支路。具体实施时，先闭合一定数量的下电流支路的开关，在一定数量的下电流支路的开关闭合后，再闭合相同数量的上电流支路的开关。即目标下电流支路的开关处于闭合状态的时间早于目标上电流支路的开关后处于闭合状态的时间。
59.需要说明的是，无论无片外电容ldo电路在待机模式下，还是工作模式下，当增加一个下电流支路，即闭合一个下电流支路的开关后，相应的，还需要增加相应的一个上电流
支路，即闭合一个上电流支路的开关。例如，关闭ibn0支路的开关后，关闭ibp0支路的开关。
60.也就是说，上电流支路和下电流支路是分组增加的。当增加若干个下电流支路时，也要增加若干个上电流支路。而且，需要先增加下电流支路，再增加上电流支路。这是因为，若上电流支路ibpx先接入，电流无法流到地，电流会向pmos管mp的栅极充电，导致ldo电路的输出下降。而下电流支路ibnx先接入的话，由于上电流支路ibpx电流没有接入，所以电流会首先通过pmos管mp流向ibnx。同样，如果上电流支路ibpx的电流比下电流支路ibnx的电流大，也会造成电流无法流到地，电流会向pmos管mp的栅极充电，导致ldo电路的输出下降的后果。
61.通过增加若干组上电流支路和下电流支路，使得无片外电容ldo电路的内部负载电流增大，负载瞬态响应特性增强。
62.需要说明的是，无片外电容ldo电路的内部负载电流越大，负载瞬态响应特性越好。具体应用过程中，当无片外电容ldo电路为工作模式时，目标上电流支路的数量和目标下电流支路的数量均根据无片外电容ldo电路的外接负载确定。即工作模式下，第一电流支路ibpx中工作的上电流支路的数量和第二电流支路ibnx中工作的下电流支路的数量根据无片外电容ldo电路的外接负载确定。
63.另外，上电流支路的电流小于相对应的下电流支路的电流。可以得到，第一电流支路的总电流小于第二电流支路的总电流。例如，上电流支路ibp2的电流小于对应的下电流支路ibn2的电流。
64.通过本技术实施例提供的无片外电容ldo电路，可以输出稳定电压。而本技术实施例提供的无片外电容ldo电路中存在由第一nmos管和pmos管组成的环路2。当无片外电容ldo电路的负载增大时，通过pmos管的电流增大，使得环路2的环路增益减小、环路2的环路带宽增大，无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力增强。另外，通过增加第一电流支路和第二电流支路使得通过第一nmos管的电流增大，同样能使得环路2的环路增益减小、环路2的环路带宽增大，增强无片外电容ldo电路的负载瞬态响应能力。本技术实施例提供的无片外电容ldo电路结构简单，电路规模较小，且负载瞬态响应能力高。另外，无片外电容ldo电路中的第一电流支路中的上电流支路和第二电流支路中的下电流支路可根据ldo电路的负载灵活设置，并能实现很低的待机功耗。
65.参见图3，图3为本技术实施例提供的另一种无片外电容ldo电路的结构示意图。如图3所示，该电路中的稳压单元具体包括：
66.运算放大器op、第二nmos管mn1、补偿电容cm、可调电阻ract、第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r0。
67.运算放大器op包括正向输入端、反向输入端和输出端。其中，反向输入端连接输入参考电压vref，运算放大器op的输出端为稳压单元的输出端，即图3中的a点为稳压单元的输出端，a点和第一nmos管的栅极相连接。
68.第二nmos管mn1的栅极和运算放大器op的输出端相连，第二nmos管mn1的漏极和电源vdd相连，第二nmos管mn1的源极和可调电阻ract的一端相连。可调电阻ract的另一端连接第一反馈电阻r1的一端，第一反馈电阻r1的另一端连接第二反馈电阻r0的一端，第二反馈电阻r0的另一端接地gnd。第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r0之间存在第三连接点b；第三连接点b连接运算放大器的正向输入端。其中，可调电阻ract、第一反馈电阻r1和第二反
馈电阻r0组成电阻负反馈网络。
69.需要说明的是，环路1(loop1)由运算放大器op、第二nmos管mn1和电阻负反馈网络组成，loop1和传统ldo电路结构基本一致，其功能是确定e点的稳定输出电压。loop1为负反馈环路，则e点的电压ve由下式决定：
70.ve＝vref*(ract r0 r1)/r0
71.由于图3中的第二nmos管mn1和第一nmos管mn0是同一个栅压控制，而且第二nmos管mn1和第一nmos管mn0的栅极相对于源极的电压vgs基本近似相等。因此，本技术实施例的无片外电容ldo电路的输出端ldo_out的输出电压和e点的稳定输出电压基本近似相等，也由上式决定。
72.另外，对于loop1来说，a点是该环路的主极点，因此，a点接了一个较大的补偿电容cm，补偿电容cm使得loop1保持较好的稳定性。具体的，补偿电容cm的一端和运算放大器op的输出端相连，补偿电容cm的另一端接地gnd。
73.作为一种示例，cm为米勒补偿电容。在实际应用时，可以根据如图1所示的loop1的稳定性进行补偿电容cm的选择。由于loop1不受输出端负载的影响，因此loop1的稳定性也不受输出负载的影响。
74.需要说明的是，在本技术实施例中，稳压单元为图3所示的结构，则当无片外电容ldo电路为工作模式时，需要调节可调电阻ract直至目标阻值，此时，无片外电容ldo电路的输出端的输出电压达到目标电压。可以理解的是，第一反馈电阻r1和第二反馈电阻r0为阻值固定的电阻。电阻负反馈网络可用来调整无片外电容ldo电路的输出端的输出电压、功耗等值。
75.通过本技术实施例提供的无片外电容ldo电路，给出了稳定单元的具体结构，使得无片外电容ldo电路能够输出稳定电压。而无片外电容ldo电路中的由第一nmos管和pmos管组成的环路2，以及可根据负载灵活设置的第一电流支路和第二电流支路使得无片外电容ldo电路有很强的负载瞬态响应能力。本技术实施例提供的无片外电容ldo电路结构简单，电路规模较小，且负载瞬态响应能力高。另外，无片外电容ldo电路中的第一电流支路和第二电流支路可根据ldo电路的负载灵活设置，并能实现很低的待机功耗。
76.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
77.还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
78.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。