CN101458541B - 一种高低压转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低压转换电路，属于集成电路技术领域，包括基准电流产生电路、低压产生电路和输出稳压电路；其中，基准电流产生电路为低压产生电路提供基准电流；所述低压产生电路包括寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管，寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管为输出稳压电路提供稳定的驱动电压；所述驱动电压通过第一电流镜、在输出稳压电路中通过稳压电容输出稳定的低压。本发明所述的高低压转换电路不需要使用齐纳二极管，均使用MOS管、三极管、电阻和电容等标准器件，不需要额外定制，降低了芯片成本和调试费用。

Description

一种高低压转换电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种高低压转换电路。

背景技术

在集成电路制造领域，最新的工艺首先被应用于数字芯片的生产和设计，然后在工艺中加入一些模拟芯片需要的电阻、电容，以及寄生三极管等。但是，电子代工厂提供的模拟工艺不能提供一些特殊模拟电路需要的器件，其中一种器件就是齐纳管，齐纳管被广泛应用在稳压系统中，尤其是应用在涉及从高电压到低电压转换的开关电源集成电路设计中。

如果生产工艺提供齐纳管，可以通过图1所示的方式在芯片内部实现高低压转换。其中，由电流源I1提供基准电流，输入电压为VDD，齐纳管Z120稳压后，经过由MOS管M101和MOS管M102组成的电流镜输出，输出电压VCC近似等于齐纳管Z120的压降，经过电容C110稳压后可以作为低压模块电源使用。但是由于齐纳管并不是标准器件，定制该器件需要较长时间，而且调试费用较高，所以存在一定的弊端。

发明内容

本发明的目的在于解决由于高低压转换电路中使用齐纳管所带来的问题，提供一种在标准代工厂工艺中，不需要使用稳压齐纳管而实现从高压到低压转换功能的电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高低压转换电路，包括基准电流产生电路、低压产生电路和输出稳压电路；其中，基准电流产生电路为低压产生电路提供基准电流；所述低压产生电路包括为输出稳压电路提供稳定的驱动电压的寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管；所述驱动电压通过第一电流镜、在输出稳压电路中通过稳压电容输出稳定的低压；

所述的第一电流镜包括低压产生电路上的第十NMOS管和输出稳压电路上的第十一NMOS管；其中，第十NMOS管的栅极与漏极连接在一起，所述基准电流输入其漏极；第十一NMOS管的漏极接入输入电压，源极与地之间接入所述稳压电容；低压产生电路包括二个低压MOS管，分别为第八MOS管和第九MOS管，二者各自的栅极与漏极连接在一起，第八MOS管与第十NMOS管的源极和第九MOS管的连接关系保证第八MOS管和第九MOS管的栅源电压处于二者的导通状态；第九MOS管与寄生PNP的发射极之间连接所述补偿电阻，寄生PNP的集电极和基极接地；

所述输出稳压电路和低压产生电路之间增加负载补偿电路；所述负载补偿电路包括第六电流镜，所述第六电流镜包括第十三PMOS管和第十四PMOS管，二者的源极均接入输入电压，二者的栅极彼此连接在一起，第十四PMOS管的栅极与漏极连接在一起；第十三PMOS管的漏极与第十NMOS管的栅极电连接，第十四PMOS管的漏极与一第十二NMOS管的漏极电连接，所述第十二NMOS管的栅极与第十NMOS管的栅极电连接，源极与第十一NMOS管的源极电连接。

优选的是，所述的基准电流产生电路包括第二、三和四电流镜，其中，第二电流镜包括二个尺寸相同的第一PMOS管(M201)和第二PMOS管(M202)，二者的源极均接入输入电压，栅极彼此连接，第一PMOS管(M201)的栅极与漏极连接在一起；第三电流镜包括第三NMOS管(M203)和第四NMOS管(M204)，二者的漏极分别与第一PMOS管(M201)的漏极和第二PMOS管(M202)的漏极电连接，二者的栅极彼此连接在一起；第四NMOS管(M204)的漏极与栅极连接在一起；第四电流镜包括第五NMOS管(M205)和第六NMOS管(M206)，二者的漏极分别与第三NMOS管(M203)的源极和第四NMOS管(M204)的源极电连接，二者的栅极彼此连接在一起，第六NMOS管(M206)的漏极与栅极连接在一起，第六NMOS管(M206)的源极与地之间串接电阻(R220)；基准电流产生电路通过第五电流镜为低压产生电路提供基准电流，第五电流镜包括所述第一PMOS管(M201)和低压产生电路上的第七PMOS管(M207)，二者的栅极连接在一起，第七PMOS管(M207)的源极接入输入电压，漏极与所述第十NMOS管(M210)的漏极电连接。

优选的是，所述电阻为负温度系数类型电阻；所述补偿电阻的材料与电阻的材料相同；所述第十NMOS管和第十一NMOS管的尺寸相同。

优选的是，所述第一PMOS管(M201)、第二PMOS管(M202)、第三NMOS管(M203)和第四NMOS管(M204)、第七PMOS管(M207)，以及第十NMOS管(M210)和第十一NMOS管(M211)为高压MOS管；第五NMOS管(M205)和第六NMOS管(M206)为低压MOS管。

本发明所述控制器的有益之处是：一方面，本发明所述的高低压转换电路不需要使用齐纳二极管，均使用MOS管、三极管、电阻和电容等标准器件，不需要额外定制，降低了芯片成本和调试费用；另一方面，高低压转换电路中的部分MOS管通过低压工艺实现，较大地减小了实现面积。

附图说明

图1为现有高低压转换电路的示意图；

图2为本发明所述高低压转换电路的第一实施例的示意图；

图3为本发明所述高低压转换电路的第二实施例的示意图；

图4为本发明所述高低压转换电路的第三实施例的示意图。

具体实施方式

如图2所示的一种高低压转换电路，包括基准电流产生电路21、低压产生电路22和输出稳压电路23。其中，基准电流产生电路21为低压产生电路22提供基准电流；所述低压产生电路包括寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管，寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管为输出稳压电路提供稳定的驱动电压；所述驱动电压通过由第一电流镜、在输出稳压电路中通过稳压电容输出稳定的低压VCC。

第一电流镜包括低压产生电路22上的第十NMOS管M210和输出稳压电路23上的第十一NMOS管M211。其中，第十NMOS管M210的栅极与漏极连接在一起，所述基准电流输入其漏极；第十一NMOS管M211的漏极接入输入电压VDD，源极与地之间接入稳压电容C230，由稳压电容C230输出低压VCC。

基准电流产生电路21可以采用如下结构：

基准电流产生电路21包括第二、三和四电流镜。其中，第二电流镜包括二个尺寸相同的第一PMOS管M201和第二PMOS管M202，二者的源极均接入输入电压VDD，栅极彼此连接，第一PMOS管M201的栅极与漏极连接在一起；第三电流镜包括第三NMOS管M203和第四NMOS管M204，二者的漏极分别与第一PMOS管M201的漏极和第二PMOS管的漏极M202电连接，二者的栅极彼此连接，第四NMOS管M204的漏极与栅极连接在一起；第四电流镜包括第五NMOS管M205和第六NMOS管M206，二者的漏极分别与第三NMOS管M203的源极和第四NMOS管M204的源极电连接，二者的栅极彼此连接，第六NMOS管M206的漏极与栅极连接在一起，第六NMOS管M206的源极与地之间串接电阻R220；基准电流产生电路21通过第五电流镜为低压产生电路22提供基准电流，第五电流镜包括所述第一PMOS管M201和低压产生电路22上的第七PMOS管M207，二者的栅极连接在一起，第七PMOS管M207的源极接入输入电压。

设第五NMOS管M205和第六NMOS管M206尺寸比为1∶n，则第五NMOS管M205栅源电压V_gs205、第六NMOS管M206的栅源电压V_gs206，流过电阻R220(阻值为R₂₂₀)的电流I之间的关系为：

V_gs205＝V_gs206+I*R₂₂₀(1)

该电流的计算公式如下：

$I=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{206}}*\frac{1}{{R_{220}}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{n}})}^2---\left(2\right)$

其中，μ_n为电子迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，(W/L)₂₀₆为第六NMOS管M206的沟道宽度与沟道长度的比值。从式(2)中可以看出，电流I和电阻R220的温度系数相关，如果选择负温度系数类型的电阻形成电阻R220，则电流I为一个随着温度的上升而上升的电流，基准电流的变化和温度为二次方关系。因为基准电流产生电路21为三级电流镜结构，因此，电流I将成为流入低压产生电路22的基准电流I。

低压产生电路22可以包括二个低压MOS管，分别为第八MOS管和第九MOS管，二者各自的栅极与漏极连接在一起，第八MOS管与第十NMOS管的源极和第九MOS管的连接关系保证第八MOS管和第九MOS管的栅源电压处于二者的导通状态，第九MOS管与寄生PNP的发射极之间连接补偿电阻R221，寄生PNP的集电极和基极接地。如图2所示，若采用二个低压NMOS管，则第八MOS管M208的漏极与第十NMOS管M210的源极连接，源极与第九MOS管M209的漏极连接，第九MOS管M209的源极与寄生PNP240的发射极连接，此处可以采用二个或者多个寄生PNP，如图3所示，采用二个寄生PNP，寄生PNP240的基极与寄生PNP241的发射极连接，而寄生PNP241的集电极和基极接地，即寄生PNP两端的电压为整数倍的基极与发射极之间的电压。如图3所示，若第八MOS管M208采用PMOS管，则第八MOS管M208的源极与第十NMOS管M210的源极连接，漏极与第九MOS管M209的漏极连接。同样，第八MOS管M208和第九MOS管M209均可以采用PMOS管。

如图2所示，输出稳压电路23输出的低压VCC的计算公式如下：

VCC＝V_be240+I*R₂₂₁+V_gs208+V_gs209+V_gs210-V_gs211(3)

其中，V_be240，R₂₂₁，V_gs208，V_gs209，V_gs210，V_gs211分别为寄生PNP240的基极与发射极之间的电压，补偿电阻R221的阻值，以及，第八MOS管M208至第十一NMOS管M211的栅源电压。

将公式(2)代入公式(3)等号右侧的前两项得出：

$V_{\mathrm{be}240}+I*R221=V_{\mathrm{be}240}+R221*\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{206}}*\frac{1}{{R_{220}}^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{n}})}^2---\left(4\right)$

根据公式(4)可知，如果补偿电阻R221的材料与电阻R220的材料相同，均为负温度系数类型的电阻，则公式(4)中后一项与温度为一次方的正温度系数关系，又由于寄生PNP240的基极与发射极之间的电压V_be240为负温度系数，可知，如果选择合适的补偿电阻R221可以抵消寄生PNP240随温度的变化，而保持公式(3)等号右侧的前两项恒定。

公式(3)等号右侧的中间两项重新表述如下：

$V_{\mathrm{gs}208}+V_{\mathrm{gs}209}=(V_{\mathrm{ov}208}+V_{\mathrm{th}208})+(V_{\mathrm{ov}209}+V_{\mathrm{th}209})$

$=(\sqrt{2*{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{208}*I_{208}}+\sqrt{2*{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_{209}*I_{209}})+(V_{\mathrm{th}208}+V_{\mathrm{th}209})---\left(5\right)$

其中，(W/L)₂₀₈和(W/L)₂₀₉分别为第八MOS管M208与第九MOS管M209的沟道宽度与沟道长度的比值，I₂₀₈和I₂₀₉分别为流过第八MOS管M208与第九MOS管M209的电流，V_th208和V_th209分别为第八MOS管M208与第九MOS管M209的阈值电压，V_ov209和V_th209分别为第八MOS管M208与第九MOS管M209的驱动电压。由于第五电流镜的作用，流过第八MOS管M208与第九MOS管M209的电流I₂₀₈和I₂₀₉等于基准电流I。

因此，将公式(2)代入公式(5)中得出：

$V_{\mathrm{gs}208}+V_{\mathrm{gs}209}=\frac{2}{R_{220}}*(1-\frac{1}{\sqrt{n}})*(\sqrt{\frac{{(W/L)}_{208}}{{(W/L)}_{206}}}+\sqrt{\frac{{(W/L)}_{209}}{{(W/L)}_{206}}})+(V_{\mathrm{th}208}+V_{\mathrm{th}209})---\left(6\right)$

由于电阻R220为负温度系数，则公式(6)等号右侧的第一项为正温度系数，而第八MOS管M208与第九MOS管M209的阈值电压V_th208和V_th209为负温度系数，因此，通过为第八MOS管M208与第九MOS管M209选择合适的尺寸，公式(6)等号右侧的第一项和第二项的温度变化即可抵消，所以，公式(3)等号右侧的中间两项即为与温度无关的电压降。

对于公式(3)等号右侧的最后两项，通过选择尺寸匹配的第十NMOS管M210和第十一NMOS管M211，如二者的尺寸完全相同，则可相互抵消，因此，公式(3)等号右侧的最后两项也可设计为与温度变化无关的量。

综上所述，输出稳压电路23输出的低压VCC是一个一阶零温度系数的基准电压。另外，在选择第八MOS管M208与第九MOS管M209的尺寸时，可以尽量选择较大的沟道宽度W与沟道长度L，以减小工艺对低压VCC带来的影响。

图2中所示的高低压转换电路中，只有第一PMOS管M201、第二PMOS管M202、第三NMOS管M203和第四NMOS管M204、第七PMOS管M207，以及第十NMOS管M210和第十一NMOS管M211需要通过高压工艺实现，而第五NMOS管M205和第六NMOS管M206由于第三NMOS管M203和第四NMOS管M204的屏蔽可以采用低压工艺实现，从而可以极大地减小实现面积。

另外，如图4所示，在所述输出稳压电路23和低压产生电路22之间可以增加负载补偿电路24。所述负载补偿电路24包括第六电流镜，所述第六电流镜包括第十三PMOS管M213和第十四PMOS管M214，二者的源极均接入输入电压VDD，二者的栅极彼此连接在一起，第十四PMOS管M214的栅极与漏极连接在一起。第十三PMOS管M213的漏极与第十NMOS管M210的栅极电连接，第十四PMOS管M214的漏极与一第十二NMOS管M212的漏极电连接，所述第十二NMOS管M212的栅极与第十NMOS管M210的栅极电连接，源极与第十一NMOS管M211的源极电连接。负载补偿电路24的补偿过程如下：

如果负载突然变重，输出低压VCC将下降，由于第十二NMOS管M212和第十一NMOS管M211的栅极连接在一起，从而第十二NMOS管M212的栅源电压差提高，第十二NMOS管M212的电流将增加，第六电流镜的电流同时增加，进而第十NMOS管M210及其串接到地的支路的电流增加，因此，第十NMOS管M210的栅极电压提高，则输出低压VCC将提高。

在本发明所述的高低压转换电路中所使用的PMOS管的衬底可以接在源极，也可以接在更高电位处。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种高低压转换电路，包括基准电流产生电路、低压产生电路和输出稳压电路；其中，基准电流产生电路为低压产生电路提供基准电流；所述低压产生电路包括为输出稳压电路提供稳定的驱动电压的寄生PNP、补偿电阻和低压MOS管；所述驱动电压通过第一电流镜，在输出稳压电路中通过稳压电容输出稳定的低压；

所述的第一电流镜包括低压产生电路上的第十NMOS管(M210)和输出稳压电路上的第十一NMOS管(M211)；其中，第十NMOS管的栅极与漏极连接在一起，所述基准电流输入其漏极；第十一NMOS管(M211)的漏极接入输入电压，源极与地之间接入所述稳压电容；低压产生电路包括二个低压MOS管，分别为第八MOS管和第九MOS管，二者各自的栅极与漏极连接在一起，第八MOS管与第十NMOS管(M210)的源极和第九MOS管的连接关系保证第八MOS管和第九MOS管的栅源电压处于二者的导通状态；第九MOS管与寄生PNP的发射极之间连接所述补偿电阻，寄生PNP的集电极和基极接地；

所述输出稳压电路和低压产生电路之间增加负载补偿电路；其特征在于：所述负载补偿电路包括第六电流镜，所述第六电流镜包括第十三PMOS管(M213)和第十四PMOS管(M214)，二者的源极均接入输入电压，二者的栅极彼此连接在一起，第十四PMOS管(M214)的栅极与漏极连接在一起；第十三PMOS管(M213)的漏极与第十NMOS管(M210)的栅极电连接，第十四PMOS管(M214)的漏极与一第十二NMOS管(M212)的漏极电连接，所述第十二NMOS管(M212)的栅极与第十NMOS管(M210)的栅极电连接，源极与第十一NMOS管(M211)的源极电连接。

2.根据权利要求1所述的高低压转换电路，其特征在于：所述的基准电流产生电路包括第二、三和四电流镜，其中，第二电流镜包括二个尺寸相同的第一PMOS管(M201)和第二PMOS管(M202)，二者的源极均接入输入电压，栅极彼此连接，第一PMOS管(M201)的栅极与漏极连接在一起；第三电流镜包括第三NMOS管(M203)和第四NMOS管(M204)，二者的漏极分别与第一PMOS管(M201)的漏极和第二PMOS管(M202)的漏极电连接，二者的栅极彼此连接在一起；第四NMOS管(M204)的漏极与栅极连接在一起；第四电流镜包括第五NMOS管(M205)和第六NMOS管(M206)，二者的漏极分别与第三NMOS管(M203)的源极和第四NMOS管(M204)的源极电连接，二者的栅极彼此连接在一起，第六NMOS管(M206)的漏极与栅极连接在一起，第六NMOS管(M206)的源极与地之间串接电阻(R220)；基准电流产生电路通过第五电流镜为低压产生电路提供基准电流，第五电流镜包括所述第一PMOS管(M201)和低压产生电路上的第七PMOS管(M207)，二者的栅极连接在一起，第七PMOS管(M207)的源极接入输入电压，漏极与所述第十NMOS管(M210)的漏极电连接。

3.根据权利要求2所述的高低压转换电路，其特征在于：所述电阻(R220)为负温度系数类型电阻；所述补偿电阻的材料与电阻(R220)的材料相同；所述第十NMOS管(M210)和第十一NMOS管(M211)的尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的高低压转换电路，其特征在于：所述第一PMOS管(M201)、第二PMOS管(M202)、第三NMOS管(M203)和第四NMOS管(M204)、第七PMOS管(M207)，以及第十NMOS管(M210)和第十一NMOS管(M211)为高压MOS管；第五NMOS管(M205)和第六NMOS管(M206)为低压MOS管。

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