具有对称结构的前馈低压线性稳压电路及稳压输出方法

技术领域

本发明涉及具有对称结构的前馈低压线性稳压电路及稳压输出方法，属于集成电路设计领域。

背景技术

低压差线性稳压器，又称LDO(Low Dropout Regulation)，是比较常用的一类电源管理芯片。由于其电路结构比较简单、外围器件较少、高精度、低噪声、无电磁干扰、设计成本低，因此在电路中常常给对电源噪声敏感的IP模块供电。

近年来，随着5G、AI、生物识别技术的不断发展，摄像头也升级了一代又一代，无论是线上办公、在线医疗还是人像识别技术，对摄像头的稳定性、清晰度的要求也逐渐提高。图像传感器作为摄像头的核心部件，其组件极容易被电源干扰，同时，电源噪声也会影响像素正常捕获光线的能力，导致照片质量下降。所以图像传感器的电源管理电路需要能够提供一个“干净”的电源电压，因此常常采用低压线性稳压器来提供稳定的电压。但是，即使LDO具有一定的抑制电源纹波的能力，在高频下，传统的LDO仍然具有较差的电源抑制比(PSRR)，会导致电路在高频下无法正常工作，主要原因有：1)传输晶体管有效的输出电导；2)需要复杂的增益级以提高直流增益；3)反馈回路的有限带宽。因此需要研究提高高频下LDO电源抑制比的结构。

常见的提高LDO电源抑制比的技术有：1)在LDO的输入端和输出端添加简单的RC滤波电路；2)在保证压降的情况下，级联多个LDO。简单的RC滤波降低了输入电压纹波，但是，由于电阻两端的高电压，这种技术增加了提供高电流的LDO中的压降。使用晶体管级联技术可以在宽频率范围内实现高电源抑制比，但是这种技术增加了面积并且会导致高的压降。

Mohamed El-Nozahi在论文中提出了一种具有前馈通路的低压线性稳压器，文中分析了LDO在高频下电源抑制比下降的原因，并且提出了一种前馈结构用于提高高频下LDO的电源抑制比。但是，在图像传感器中LDO对多个读出阵列进行供电时，因为失配所引起的误差仍然存在，并且LDO的负载调整率和线性调整率仍有提高的空间。

常见低压线性稳压电路为了提高电源抑制比也采用了前馈通路，并增加了低通滤波模块用于过滤噪声(CN116166081A)，但是LDO的功耗也会随之增加。也有LDO采用了负电容补偿结构(CN116719382A)，保证LDO在高频时可以得到不错的电源抑制比，但是当流过功率管的电流发生变化时，功率管栅端的寄生电容也会发生变化，此时负电容补偿电路产生的负电容不能很好的抵消功率管栅端的寄生电容，导致中高频电源纹波抑制性能恶化。

发明内容

为了提升LDO的电源抑制比和负载调整率，本发明提供了具有对称结构的前馈低压线性稳压电路及稳压输出方法，所述技术方案如下：

本发明的第一个目的在于提供一种低压线性稳压电路，包括：带隙基准电压源、前馈电流通路、求和运算模块、误差放大模块、反馈电阻网络模块以及功率输出级；

所述带隙基准电压源用于为所述前馈电流通路、求和运算模块提供偏置电流，为所述误差放大模块提供参考电压、偏置电压和偏置电流；

所述前馈电流通路用于放大由所述功率输出级有限电导引起的噪声，所述前馈电流通路的输入端与电源电压相连，输出端与所述求和运算模块相连，将经过放大后的电源噪声传输给所述求和运算模块；

所述求和运算模块包括：对称分布的求和运算放大电路；每个求和运算放大电路分别与所述前馈电流通路的输出端连接，用于将所述放大后的电源噪声与所述误差放大模块放大的电压信号进行求和运算，并将结果输入到所述功率输出级；

所述误差放大模块包括：对称分布的误差放大器；每个误差放大器的输出端对应与所述运算放大电路输入端连接，输入端分别与所述反馈电阻网络模块连接；所述误差放大器将反馈电阻上的信号与所述带隙基准电压源提供的基准电压信号的误差进行放大，并将结果输出给所述求和运算电路进行下一步运算；

所述反馈电阻网络模块包括：对称分布的反馈电阻网络；每个反馈电阻网络对应与所述误差放大器的输入端连接；

所述功率输出级为对称结构，分别与每个求和运算放大电路连接，用于接受反馈回路信号，并随之调整输出电流，实现稳定的输出电压。

可选的，所述前馈电流通路包括：积分运算放大器；所述积分运算放大器的输出端与所述对称分布的求和运算放大电路分别连接。

可选的，所述求和运算模块包括：第一求和运算放大器和第二求和运算放大器，所述第一求和运算放大器和第二求和运算放大器对称分布，输出端分别与所述功率输出级中对称的PMOS功率管的栅极相连。

可选的，所述误差放大器模块包括：第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器对称分布，分别构建LDO的两条对称的主环路。

可选的，所述功率输出级包括：两个相同的PMOS功率管；

两个PMOS功率管的源极与电源电压连接，栅极分别与所述第一求和运算放大器和第二求和运算放大器连接，漏极通过开关相互连接，并且接稳压电路的输出端。

本发明的第二个目的在于提供一种低压线性稳压输出方法，采用上述任一项所述的低压线性稳压电路实现，包括：

利用带隙基准电压源为电路供电；

利用前馈电流通路对电源噪声进行放大；

利用误差放大模块将反馈电阻上的信号与所述带隙基准电压源提供的基准电压信号的误差进行放大，并将结果输出给求和运算模块；

利用所述求和运算模块将放大的电源噪声和所述误差放大模块放大的电压进行求和运算，并将结果输入到功率输出级；

利用所述功率输出级接受反馈回路信号，并随之调整输出电流，实现稳定的输出电压。

本发明的第三个目的在于提供一种图像传感器，包括上述任一项所述的低压线性稳压电路，采用所述低压线性稳压电路为读出阵列进行供电。

本发明有益效果是：

第一，本发明的前馈电流通路用于放大由功率管跨导所产生的电源噪声，在求和运算电流通路中与经过误差放大器放大后的电路噪声进行求和运算，将放大后的噪声输入到功率管的栅极，用于消除在输出端产生的额外噪声。因此能够提高高频下的电源抑制比而不需要增加环路带宽从而增加静态功耗。

第二，在电路架构上，电路结构呈对称式，前馈电流通路被复用，输出接入两个对称式的求和运算放大器。在此结构中，除去被复用的前馈电流通路，求和运算放大器、误差放大器、功率管以及反馈电阻均为两个呈对称结构。此结构在单独前馈LDO的基础上，不仅提高了LDO的电源抑制比，经过对称式复用，LDO的线性调整率和负载调整率也有了一定提高。

因此本发明的对称式前馈低压线性稳压电路多用于图像传感器读出阵列，可以同时对多列读出进行供电，对称结构可以减小因失配产生的误差，从而提高图像传感器的精度。同时前馈电流通路可以减小图像传感器工作时的电源噪声，对全局buffer供电时可以提供一个高精度、低噪声的稳定电压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明的对称式前馈低压线性稳压电路结构框图。

图2为本发明的对称式前馈低压线性稳压电路图。

图3为本发明为电源阵列供电时对称式低压差线性稳压器工作电路图。

图4为本发明为图像传感器中LDO对读出阵列进行分布式供电的布局图。

图5为本发明中负载电流为20mA的情况下，本发明与传统的LDO电路的电源纹波抑制能力的对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种低压线性稳压电路，包括：带隙基准电压源、前馈电流通路、求和运算模块、误差放大模块、反馈电阻网络模块以及功率输出级；

带隙基准电压源用于为前馈电流通路、求和运算模块提供偏置电流，为误差放大模块提供参考电压和偏置电流；

前馈电流通路用于放大由功率输出级有限电导引起的噪声，前馈电流通路的输入端与电源电压相连，输出端与求和运算模块相连，将经过放大后的电源噪声传输给求和运算模块；

求和运算模块包括：对称分布的求和运算放大电路；每个求和运算放大电路分别与前馈电流通路的输出端连接，用于将放大后的电源噪声与误差放大模块放大的电压信号进行求和运算，并将结果输入到功率输出级；

误差放大模块包括：对称分布的误差放大器；每个误差放大器的输出端对应与运算放大电路输入端连接，输入端分别与反馈电阻网络模块连接；误差放大器将反馈电阻上的信号与带隙基准电压源提供的基准电压信号的误差进行放大，并将结果输出给求和运算电路进行下一步运算；

反馈电阻网络模块包括：对称分布的反馈电阻网络；每个反馈电阻网络对应与误差放大器的输入端连接；

功率输出级为对称结构，分别与每个求和运算放大电路连接，用于接受反馈回路信号，并随之调整输出电流，实现稳定的输出电压。

实施例二：

本实施例提供一种低压线性稳压电路，参见图1，包括：带隙基准电压源、前馈电流通路、求和运算模块、误差放大模块、反馈电阻网络模块以及功率输出级；

带隙基准电压源用于提供不受温度影响的稳定电压和稳定电流，为前馈电流通路、求和运算模块提供偏置电流，为误差放大模块提供稳定的参考电压、偏置电压和偏置电流。

如图2所示，前馈电流通路由一个积分运算放大器构成，输入端与带隙基准电压源相连，输出端与求和运算模块中的两个求和运算放大器相连。前馈电流通路用于放大经过功率输出级有限电导的电源噪声，将经过放大后的带隙基准电压源噪声传输给求和运算放大器。

求和运算模块由两个对称的求和运算放大器构成，将放大后的电源噪声与误差放大模块放大的电压信号进行求和运算，并将结果输入到功率输出级，求和运算放大器的两个输出端分别与功率输出级中两个对称的PMOS功率管的栅极相连。

误差放大模块由两个对称的运算放大器构成，分别构建LDO的两条对称的主环路。每个误差放大器的输出端对应与运算放大电路输入端连接，输入端分别与反馈电阻网络模块连接；误差放大器将反馈电阻上的信号与带隙基准电压源提供的参考电压信号的误差进行放大，并将结果输出给求和运算放大器进行下一步运算；

反馈电阻网络模块包括：对称分布的反馈电阻网络；每个反馈电阻网络对应与误差放大器的输入端连接；

功率输出级由两个相同的PMOS功率管构成，分别与每个求和运算放大器的输出端连接，用于接受反馈回路信号，并随之调整输出电流，实现稳定的输出电压。功率输出级采用源跟随接法，具有较高的电源抑制能力。

本实施例的工作原理为：带隙基准电路为电路供电，输入的电源纹波通过前馈电流通路中的前馈运放进行放大，由求和运算放大器将通过前馈路径的纹波输出到功率管的栅极，用以消除由于MOS功率管的有限电导引起的在高频下电源抑制比下降的情况。求和放大器将LDO自身的反馈调节环路与前馈电流通路进行合并，保证LDO的正常工作。

结构上，LDO采用对称式结构，复用前馈电流通路，其中，功率管、求和运算放大器、误差放大器、电阻反馈网络均为对称结构。

开关S1闭合时，当输出电压V

本实施例的前馈电流通路用于放大由功率管跨导所产生的电源噪声，在求和运算电流通路中与经过误差放大器放大后的电路噪声进行求和运算，将放大后的噪声输入到功率管的栅极，用于消除在输出端产生的额外噪声。因此能够提高高频下的电源抑制比而不需要增加环路带宽从而增加静态功耗。

在电路架构上，本实施例的电路结构呈对称式，前馈电流通路被复用，输出接入两个对称式的求和运算放大器。在此结构中，除去被复用的前馈电流通路，求和运算放大器、误差放大器、功率管以及反馈电阻均为两个呈对称结构。此结构在单独前馈LDO的基础上，不仅提高了LDO的电源抑制比，经过对称式复用，LDO的线性调整率和负载调整率也有了一定提高。

实施例三：

本实施例将对称式前馈低压线性稳压电路应用于图像传感器读出阵列，如图4所示。

图2为本实施例的对称式前馈低压线性稳压电路图，图3为电源阵列供电时对称式低压差线性稳压工作电路图。

在对图像传感器中的多个阵列进行供电时，需要保证电源电压的一致性，然而因为失配往往会引起新的误差，此时将开关S1打开，这时LDO有两个输出端口，对读出阵列进行分布式供电时，由于本实施例中LDO的对称结构，可以从两侧同时供电，因此可以减小由于电源失配导致读出阵列的输出误差，从而提高读出阵列的精度。

图4为图像传感器中LDO对读出阵列进行分布式供电的布局图，当对图像传感器中读出阵列进行供电时，将LDO中的开关S1打开，改为图3所示连接，从而将一个LDO变为两个对称且共用前馈结构的LDO-A和LDO-B，将两个输出端分别从左右两侧对读出阵列进行供电，因此可以输出相对稳定的电压为阵列进行供电。

本实施例的对称式前馈低压线性稳压电路多用于图像传感器读出阵列，可以同时对多列读出进行供电，对称结构可以减小因失配产生的误差，从而提高图像传感器的精度。同时前馈电流通路可以减小图像传感器工作时的电源噪声，对全局buffer供电时可以提供一个高精度、低噪声的稳定电压。

实施例四：

本实施例提供一种低压线性稳压输出方法，采用实施例一或二记载的低压线性稳压电路实现，包括：

利用带隙基准电压源为电路供电；

利用前馈电流通路对电源部分噪声进行放大；

利用误差放大模块将反馈电阻上的信号与带隙基准电压源提供的基准电压信号的误差进行放大，并将结果输出给求和运算模块；

利用求和运算模块将放大的电源噪声和误差放大模块放大的电压进行求和运算，并将结果输入到功率输出级；

利用功率输出级接受反馈回路信号，并随之调整输出电流，实现稳定的输出电压。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

图5是在负载电流为20mA的情况下，本发明与传统的LDO电路的电源纹波抑制能力的对比。可以看出，本发明提出的LDO的PSRR在38MHz下电源抑制比提高了30dB。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。