CN102929322A - 一种低成本低压差线性稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本低压差线性稳压器中，对于现有电路中四个分压电阻中的两个，分别用二极管连线方式的晶体管和电流源来代替；通过闭合或断开与该电流源并联的开关，来对本发明所述低压差线性稳压器工作在正常模式或低功耗模式进行切换。由于在低功耗模式下，驱动管的静态电流直接由上述电流源提供，并不需要接入一个数值很大的分压电阻，从而避免了现有技术的缺陷，大大降低了芯片的成本。本发明还因为使用了上述的晶体管，而能够根据晶体管阈值电压随温度的变化，使得低压差线性稳压器的输出电压随着温度的变化而变化，当温度升高时，输出电压降低；当温度降低时，输出电压升高，以满足数字电路在不同温度条件下打开或关闭时的要求。

Description

一种低成本低压差线性稳压器

技术领域

本发明属于电源管理设计领域。本发明公开了一种低成本低压差线性稳压器的设计，此类LDO广泛应用于大规模集成电路中的电源管理系统中。

背景技术

电源管理模块是芯片的基本单元电路，低压差线性稳压器（LDO，Low DropOut Regulator）作为电源管理模块在大规模集成电路系统中得到了广泛的应用，大规模集成电路系统通常有正常工作模式和待机模式，两种工作模式的方案在手持和便携设备领域尤为重要。作为系统的电源管理模块，LDO也需要有对应的正常工作模式和低功耗工作模式，在正常工作模式状态下，LDO需要输出相对较高的输出电压以及相对较快的反应速度；在低功耗模式下，LDO的输出电压可以降低，并且对反应速度的要求也可以降低。因此，随着当前手持和便携式设备的广泛使用，对LDO的性能也提出了新要求：更低的功耗，更小的压差和更低的成本。

如图1所示，现有的LDO电路的基本框架结构中包含：参考电压模块Vref和一级的误差放大器模块19，驱动管15，分压电阻13、14，输出端保持电容20以及输出电容17和负载电流18。其中，一级的误差放大器19和驱动管15，分压电阻13、14组成一个二级的放大器，为了保持整个LDO系统的稳定，这个二级放大器的补偿方式选择了米勒电容补偿方式，电容20为整个LDO的米勒补偿电容，所以静态工作的情况下，为了使第二个极点在单位增益带宽外，驱动管15需要流过整个LDO系统的绝大部分电流，驱动管15流过的电流由下式

 

决定。分压电阻13、14对输出电压信号16进行采样，采样信号输入到误差放大器19的正向输入端11，误差放大器19比较参考电压和采样信号的大小，然后调整驱动管15的栅极电压高低来稳定输出电压值，输出电压最终稳定值为：

图2为现有技术中LDO的一种具体实现电路，误差放大器由晶体管212、213、214、215以及电流源25、26组成，其中晶体管212、213为误差放大器的输入级，晶体管214、215为放大器的有源负载，电流源25、26为误差放大器提供偏置电流，驱动管为晶体管216，分压电阻为21、22、23、24。为了使LDO实现正常工作模式和低功耗工作模式之间的相互切换，LDO具体电路中引入了开关27、28和开关211。当LDO工作在正常模式时，开关27、28、211都闭合，在这种模式下，分压电阻只有21和23，输出电压最终稳定值为： 

 

当LDO进入低功耗工作模式时，开关27、211断开，因为整个LDO系统的绝大部分电流留过了驱动管216，所以开关28也断开来增大电阻使得驱动管流过的电流减小，一般Vref为基准电压模块产生的一个温度系数很小的电压值，为1.25V，假设在低功耗模式下，驱动管所需要的电流必须降为0.5uA或更小，则电阻23、24阻值的和为2.5MΩ或更大，并且电阻22、21的阻值在低功耗模式下也会接近1MΩ，如此大的电阻需要占用很大的面积，不利于降低整个芯片的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种低压差线性稳压器LDO的电路实现，能够通过有效减小所需要电阻的阻值来减小芯片的面积，从而降低芯片的成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种低成本低压差线性稳压器，其中包含：

一个误差放大器，其负向输入端与参考电压Vref连接；

一个驱动晶体管，其栅极与所述误差放大器的输出端连接；

一个输出端保持电容，连接在所述驱动晶体管的栅极和漏极之间；

一个以二极管方式连接了栅极和漏极的第一晶体管，其源极与所述驱动晶体管的漏极连接；

一个第一分压电阻和一个第二分压电阻串联，两者之间的串联节点与所述误差放大器的正向输入端连接；并且，所述第一分压电阻上与串联节点相对的一端，与所述第一晶体管的漏极连接；

一个第一电流源，与所述第二分压电阻上与串联节点相对的一端连接；

一个第一开关，与所述第一电流源并联，所述第一开关的闭合和断开，对所述低压差线性稳压器的正常工作模式和低功耗工作模式实现切换，以调整该低压差线性稳压器在所述驱动晶体管的漏极获得的输出电压Vout。

所述误差放大器进一步包含：作为该误差放大器输入级的第二、第三晶体管，作为该误差放大器有源负载的第四、第五晶体管，为该误差放大器提供偏置电流的第二、第三电流源，以及一个第二开关，该第二开关的闭合或断开，用以将所述第三电流源提供的电流接入或不接入该误差放大器中；

并且，所述第二开关与所述第一开关相配合，用以对所述低压差线性稳压器的正常工作模式和低功耗工作模式进行切换；

即，在正常工作模式下，第一、第二开关都闭合，所述低压差线性稳压器的输出电压等于：

 ；

在低功耗工作模式下，第一、第二开关（38、27）都断开，所述低压差线性稳压器的输出电压等于：

 。

所述第二、第三晶体管的源极相连接；所述第二、第五晶体管的漏极相连接；所述第三、第四晶体管的漏极相连接，该连接节点作为所述误差放大器的输出端与驱动晶体管的栅极连接；所述第四、第五晶体管的栅极相连接，源极都连接至工作电压端VDD；所述第五晶体管的栅极和漏极还相互连接；

所述第二电流源连接在所述第三晶体管的源极和接地端VSS之间；所述第三电流源与所述第二开关串联，两者一起连接在所述第二晶体管的源极和接地端VSS之间；

则，所述第三晶体管的栅极作为所述误差放大器的负向输入端与参考电压Vref连接；所述第二晶体管的栅极作为所述误差放大器的正向输入端，与所述第一、第二分压电阻之间的串联节点相连接。

本发明所述低压差线性稳压器LDO中，对于现有LDO电路中四个分压电阻中的两个，分别用一个二极管连线方式的晶体管和一个电流源来代替；通过闭合或断开与该电流源并联的开关，来对本发明LDO工作在正常模式或低功耗模式进行切换。由于在低功耗模式下，驱动管的静态电流直接由上述电流源提供，并不需要接入一个数值很大的分压电阻，从而避免了已有技术的缺陷，大大降低了芯片的成本。本发明还因为使用了上述的晶体管，而能够根据晶体管阈值电压随温度的变化，使得LDO的输出电压随着温度的变化而变化，当温度升高时，输出电压降低；当温度降低时，输出电压升高，以满足数字电路在不同温度条件下打开或关闭时的要求。

附图说明

图1 是低压差线性稳压器LDO的电路框图；

图2 是已有技术中低压差线性稳压器LDO的电路图；

图3 是本发明所述低成本低压差线性稳压器LDO的电路图。

具体实施方式

如图3所示，为本发明提供的一种LDO电路，为了有效的减小LDO使用的电阻阻值，从而节省芯片面积降低芯片成本，本发明提供了一种新的方案，其具体的器件连接可以参见图3，现简述如下。

在本发明的LDO电路中，误差放大器仍由晶体管212、213、214、215以及电流源25、26组成。其中，晶体管214、215为误差放大器的有源负载，其栅极相连，由该连接节点引出一路与晶体管215的漏极相连。晶体管213与214的漏极连接节点217，连接至作为驱动管的晶体管316的栅极。晶体管316的栅极和漏极之间连接有一个作为米勒补偿电容的输出端保持电容323。

晶体管212、213为误差放大器的输入级，其漏极分别对应与晶体管215、214的漏极连接。晶体管212和213的源极相连（见标号218处）。晶体管213的栅极作为误差放大器的负向输入端，施加了参考电压Vref。晶体管212的栅极则作为误差放大器的正向输入端，与分压电阻21、23的串联节点320连接。

电流源25、26为误差放大器提供偏置电流，分别对应连接在晶体管213、212的源极与地之间；还将开关27串联在电流源26与晶体管212的源极之间，在切换LDO的正常工作模式和低功耗工作模式时起作用。

本发明的方案主要有两个地方和原有技术有明显不同，一个就是用二极管连线方式的晶体管31代替了图2中的电阻22，并省略了开关211，即，使该晶体管31的栅极和漏极连接后，在漏极处连接了电阻21。另一个是用电流源34代替了图2中的电阻24，使该电流源34与电阻23串联，还与切换工作模式用的开关38并联。

则，在正常工作模式下，开关27、38闭合，输出电压等于：

 

在低功耗模式下，开关27、38断开，输出电压等于：

 

因而，在低功耗模式下，驱动管的静态电流直接由电流源34提供，并不需要一个阻值可能接近2~3MΩ的分压电阻，本发明中可以将电阻21与23阻值的和减小为200~300kΩ，从而避免了已有技术的缺陷，大大降低了芯片的成本。

本发明方案还有一个优点体现在二极管连线方式的晶体管31的使用上，因为使用了晶体管31，由于晶体管阈值电压随温度的变化，使得LDO的输出电压随着温度的变化而变化，当温度升高时，输出电压降低；当温度降低时，输出电压升高。而这个正好是数字电路所需要的特性：当温度升高时，数字电路中的晶体管更容易打开和关闭，所以可以提供一个比正常值低的电源电压从而降低功耗，当温度降低时，数字电路中的晶体管比较难打开和关闭，所以需要一个比正常值高的电源电压。

前面的讨论提供了一种低成本LDO电路的实现方法。本发明可以用于低功耗的LDO，通过有效减小所需要电阻的阻值来减小芯片的面积，从而降低芯片的成本。然而本发明并不局限于此，本发明也可以推广到很多利用电流源代替电阻的芯片中。虽然本发明描述了一个特别的系统组合，显然许多的变形，修改和变化也适用于本发明的基本描述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种低成本低压差线性稳压器，其特征在于，包含：

一个误差放大器，其负向输入端与参考电压Vref连接；

一个驱动晶体管（316），其栅极与所述误差放大器的输出端连接；

一个输出端保持电容（323），连接在所述驱动晶体管（316）的栅极和漏极之间；

一个以二极管方式连接了栅极和漏极的第一晶体管（31），其源极与所述驱动晶体管（316）的漏极连接；

一个第一分压电阻（21）和一个第二分压电阻（23）串联，两者之间的串联节点与所述误差放大器的正向输入端连接；并且，所述第一分压电阻（21）上与串联节点（320）相对的一端，与所述第一晶体管（31）的漏极连接；

一个第一电流源（34），与所述第二分压电阻（23）上与串联节点（320）相对的一端连接；

一个第一开关（38），与所述第一电流源（34）并联，所述第一开关（38）的闭合和断开，对所述低压差线性稳压器的正常工作模式和低功耗工作模式实现切换，以调整该低压差线性稳压器在所述驱动晶体管（316）的漏极获得的输出电压Vout。

2.如权利要求1所述低成本低压差线性稳压器，其特征在于，

所述误差放大器进一步包含：作为该误差放大器输入级的第二、第三晶体管（212、213），作为该误差放大器有源负载的第四、第五晶体管（214、215），为该误差放大器提供偏置电流的第二、第三电流源（25、26），以及一个第二开关（27），该第二开关（27）的闭合或断开，用以将所述第三电流源（26）提供的电流接入或不接入该误差放大器中；

并且，所述第二开关（27）与所述第一开关（38）相配合，用以对所述低压差线性稳压器的正常工作模式和低功耗工作模式进行切换；

即，在正常工作模式下，第一、第二开关（38、27）都闭合，所述低压差线性稳压器的输出电压等于：

 ；

在低功耗工作模式下，第一、第二开关（38、27）都断开，所述低压差线性稳压器的输出电压等于：

 。

3.如权利要求2所述低成本低压差线性稳压器，其特征在于，

所述第二、第三晶体管（212、213）的源极相连接；所述第二、第五晶体管（212、215）的漏极相连接；所述第三、第四晶体管（213、214）的漏极相连接，该连接节点（217）作为所述误差放大器的输出端与驱动晶体管（316）的栅极连接；所述第四、第五晶体管（214、215）的栅极相连接，源极都连接至工作电压端VDD；所述第五晶体管（215）的栅极和漏极还相互连接；

所述第二电流源（25）连接在所述第三晶体管（213）的源极和接地端VSS之间；所述第三电流源（26）与所述第二开关（27）串联，两者一起连接在所述第二晶体管（212）的源极和接地端VSS之间；

则，所述第三晶体管（213）的栅极作为所述误差放大器的负向输入端与参考电压Vref连接；所述第二晶体管（212）的栅极作为所述误差放大器的正向输入端，与所述第一、第二分压电阻（21、23）之间的串联节点（320）相连接。

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