本發(fā)明涉及電源管理領(lǐng)域，特別是涉及一種低噪聲，快速啟動的低壓差線性穩(wěn)壓器。

背景技術(shù)：

隨著便攜式電子產(chǎn)品的普及，電源管理系統(tǒng)越來越重要，電源管理部分的好壞很大程度上決定了整個系統(tǒng)的性能。由于低壓差線性穩(wěn)壓器LDO(Low Dropout Linear Regulator)與開關(guān)電源DC-DC相比具有極低的輸出電壓噪聲、紋波和較高的電源抑制比，能夠滿足對噪聲敏感的射頻電路和模擬電路對電源電壓的要求，而且在有些系統(tǒng)中，開關(guān)電源和LDO的結(jié)合，使兩者的優(yōu)勢充分發(fā)揮，為客戶提供高效率且低噪聲的供電電源。

在一些高性能的系統(tǒng)中，當(dāng)使用一個高噪聲電源供電時，系統(tǒng)內(nèi)一些對電源軌質(zhì)量要求較高的模塊如鎖相環(huán)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和壓控振蕩器等不能達(dá)到預(yù)期的性能，僅僅少量的噪聲也會對系統(tǒng)性能造成很大的影響。由于LDO電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲會直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載電路的電源電壓噪聲，因此，如何盡可能的降低LDO的輸出噪聲，且不消耗過多的芯片面積、功耗和成本越來越具有深遠(yuǎn)的意義。

首先介紹LDO的工作原理和噪聲源分析：

一個簡單的線性穩(wěn)壓器包含一個基本控制環(huán)路，其反饋電壓與一個基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓被放大來控制功率管的導(dǎo)通狀態(tài)，以提供一個與電源電壓、負(fù)載和溫度無關(guān)的輸出電壓。

傳統(tǒng)LDO噪聲模型如圖1所示，V²n_VREF代表基準(zhǔn)的輸入?yún)⒖荚肼暋²n_in代表誤差放大器的等效輸入噪聲、V²n_R1、V²n_R2為反饋電阻R1和R2的熱噪聲。該LDO總的輸出噪聲為：

因此，我們可以看出，LDO的輸出噪聲除了基準(zhǔn)、誤差放大器、采樣電阻的內(nèi)部固有噪聲之外，還要包括由環(huán)路放大所產(chǎn)生的額外噪聲。故要減小總的輸出噪聲。針對以上原因，減小噪聲的常用方案有幾種：(1)通過低通濾波器過濾基準(zhǔn)的固有噪聲，但是在片內(nèi)實現(xiàn)的低通濾波器常需要大的電阻和電容，來實現(xiàn)低的轉(zhuǎn)角頻率，這將會耗費很大的芯片面積，增加成本；(2)減小基準(zhǔn)源的噪聲，可以通過Vth基準(zhǔn)源和Vbe基準(zhǔn)源，它們噪聲特性好，但是輸出參考電壓精度差，隨工藝和溫度和電源噪聲影響大；(3)減小反饋電阻R1與R2的比值，同時減小R1和R2的阻值，可以減小電阻熱噪聲。但是這些方法會極大的增加電路的面積和功耗,或使LDO基準(zhǔn)電壓源精度不高，導(dǎo)致輸出精度低，輸出電壓值受限制。綜上所述，傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)并不能得到很低的噪聲性能，必須要采用新穎的電路結(jié)構(gòu)來獲得性能的提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低噪聲，快速啟動的低壓差線性穩(wěn)壓器，能夠滿足低噪聲和快速啟動的性能，同時不過多增加低壓差線性穩(wěn)壓器的面積和功耗。

一種低噪聲，快速啟動的低壓差線性穩(wěn)壓器，其特征在于包括以下模塊：帶隙基準(zhǔn)電壓源、預(yù)調(diào)整模塊、低通濾波器和誤差放大器。帶隙基準(zhǔn)電壓源為預(yù)調(diào)整放大器提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓；預(yù)調(diào)整模塊包括誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，帶隙基準(zhǔn)電壓經(jīng)過預(yù)調(diào)整模塊后調(diào)整為要輸出的電壓；后接低通濾波器以便濾除基準(zhǔn)模塊和反饋電阻的噪聲；經(jīng)過濾波器后的輸出電壓輸入到誤差放大器模塊，利用負(fù)反饋原理，提供不隨輸入電源電壓和負(fù)載變化的輸出電壓，且可根據(jù)負(fù)載的不同進行多路輸出。

本發(fā)明專利的創(chuàng)造性在于將帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓經(jīng)過預(yù)調(diào)整和低通濾波器，可將帶隙基準(zhǔn)源和反饋電阻的產(chǎn)生的噪聲濾除，從而實現(xiàn)LDO輸出的低噪聲。但是，為了能夠可靠的濾除基準(zhǔn)源和采樣電阻的高頻噪聲部分，必須使用超低頻的低通濾波器(0.1HZ—1HZ)，例如：可以采用一個100—300PF的電容和一個1—10GOhm的電阻構(gòu)成，但這將需要很大的芯片面積和成本。在工程生產(chǎn)上難以實現(xiàn)，本發(fā)明專利通過有源低通濾波器達(dá)到這一目的，且所需的面積和電路功耗大大減小。低通濾波器降低噪聲的具體原理如下：

由于衰減系數(shù)G_RC(f)的存在，總的輸出噪聲大大減小。

在上述的低噪聲，快速啟動的低壓差線性穩(wěn)壓器，所述有源低通濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RC低通濾波器，采用電流鏡結(jié)合預(yù)放大鎖存比較器來實現(xiàn)快速啟動的功能，且其得到的低通濾波器具有極低的轉(zhuǎn)角頻率(大約0.1HZ左右)，極大的改善了線性穩(wěn)壓器的噪聲性能。

因此，本發(fā)明專利具有如下的優(yōu)點：(1)保證了帶隙基準(zhǔn)電壓源的精確度，從而維持了高精度的輸出電壓，且對反饋電阻值噪聲方面沒有特殊要求；(2)可以濾除帶隙基準(zhǔn)電壓和反饋電阻的噪聲，這也是LDO噪聲的主要部分，使總的輸出噪聲減少；(3)使用有源低通濾波器，避免了傳統(tǒng)RC低通濾波器的大面積，從而極大的減小了芯片面積的使用；(4)經(jīng)過濾波后的基準(zhǔn)可以接入后級不同的誤差放大器以得到不同的輸出電壓，可簡單的實現(xiàn)多路輸出，在系統(tǒng)級芯片很受歡迎；(5)所加入的有源低通濾波器并不會增加LDO輸出電壓的啟動時間。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)LDO結(jié)構(gòu)的噪聲模型；

圖2為預(yù)調(diào)整加低通濾波器架構(gòu)的LDO原理圖；

圖3為簡單的一階有源低通濾波器原理圖；

圖4為三級級聯(lián)的簡單的一階有源低通濾波器原理圖；

圖5為本發(fā)明的快速啟動的超低頻低通濾波器原理圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。

圖1所示為傳統(tǒng)的LDO線性穩(wěn)壓器的噪聲模型圖，其中主要的噪聲源來自于帶隙基準(zhǔn)源，誤差放大器，和反饋電阻。

圖2所示為預(yù)調(diào)整加低通濾波器架構(gòu)的LDO，包括：預(yù)調(diào)整模塊、低通濾波器和誤差放大器。所述預(yù)調(diào)整模塊包括誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，帶隙基準(zhǔn)電壓VREF經(jīng)過預(yù)調(diào)整模塊(EA1、R1和R2組成)后調(diào)整為要輸出的電壓；經(jīng)過低通濾波器濾除基準(zhǔn)模塊和反饋電阻的噪聲；經(jīng)過濾除噪聲的參考電壓VLPF輸入到誤差放大器EA2的負(fù)向輸入端，EA2的輸出控制功率管的柵極，功率管漏極的輸出電壓反饋回EA2的正向輸入端，與參考電壓比較，從而控制功率管的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3所示為簡單的一階有源低通濾波器，P1作為低通濾波器的電阻元件，N1作為MOS電容，P2是二極管連接的PMOS管，其源極接的是未經(jīng)濾波的基準(zhǔn)電壓，與P1源極接在一起，P1的柵極連接到P2的柵極，以提供其柵極偏置電壓，P1漏極為經(jīng)過濾波的輸出電壓，電流源IBIAS為P2提供電流偏置，此種方法為了得到P1合適的溝道電阻，設(shè)置大約W2/L2＝100*W1/L1，IBIAS＝1nA,W1,L1和W2，L2為P1，P2的寬度和溝道長度，但是由于P1管子在高溫下寄生PNP的漏電流，會導(dǎo)致嚴(yán)重的直流失調(diào)，必須要保證P1的W1*L1越小越好，由于極大的電阻和小的電流值，濾波器設(shè)計版圖時得小心。

圖4所示為三級級聯(lián)的簡單的一階有源低通濾波器，可以增強濾波器的效果，但增加了芯片面積。

圖5所示為本發(fā)明的快速啟動的超低頻低通濾波器，所述有源低通濾波器包括：偏置電流源、兩個PMOS晶體管、四個NMOS晶體管和一個比較器。偏置電流源Ibias提供偏置電流，晶體管NMOS管N1和N2組成電流鏡，P1和P2組成另一組電流鏡，P1和P2的源極與未經(jīng)濾波的基準(zhǔn)電壓相連，同時連接到比較器COM的負(fù)向輸入端，正向輸入端連接濾波器輸出，即P2的漏極，比較器輸出控制一開關(guān)管N4，N4源端接地，漏端接在N1和N2的柵極端，N3構(gòu)成MOS電容，其柵極接在濾波器輸出，其他三個端口均連接于地端，濾波器的輸出接到誤差放大器2的反向輸出端。

具體原理如下：比較器COM比較基準(zhǔn)電壓VREF和濾波器輸出電壓VLPF的電壓，當(dāng)VLPF未達(dá)到VREF的值時，比較器COM輸出為低電平，N4管不開啟，由N1、N2和P1、P2組成的電流鏡對MOS電容N3快速充電，從而達(dá)到快速啟動的作用，使電路不會因為加入濾波電路而影響啟動速度。同時，當(dāng)VLPF達(dá)到VREF值時，比較器輸出為高，將N1和N2柵極電壓拉低，從而N2管只有很小的漏電流，此時P2工作在截止區(qū)，相當(dāng)于一個大電阻(其值可達(dá)1GOhm—100GOhm)可以實現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)角頻率，且不需較大的芯片面積和功耗。比較器采用預(yù)放大鎖存結(jié)構(gòu)，主要針對其速度和精度進行考慮，這里不做過多介紹。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。