CN103529893A - 一种减小静态工作电流的低压差稳压器 - Google Patents

Abstract

一种减小静态工作电流的低压差稳压器。一个具有低压差的IC稳压器，一个输出晶体管，使得稳压器静态工作电流减小至一个非常小的值。

Description

一种减小静态工作电流的低压差稳压器

技术领域

稳压器的压差定义为，输入电压进一步减小，电路就不再进行稳压时，输入输出电压的差值。静态工作电流定义为正向输入电流中对正向负载电流没有贡献的部分，或者可以定义为稳压器接地时的电流。 

背景技术

 低压差在电池驱动的稳压器应用中是十分重要的，从电池寿命到以最低的电池电压提供额定输出都是需要的。因为静态工作电流不能贡献有用的输出，所以保持其为较低值的重要性就不言而喻了。低压差IC稳压器的共有的是一个PNP传输晶体管。本专利揭示了一个有众多发射极与基极压载的PNP横向晶体管。 

发明内容

本发明的一个目的是提供一个用于低压差稳压器的驱动器； 

本发明的进一步目的是减小低压差稳压器的静态工作电流。

本发明的技术解决方案是： 

这些以及其他目的通过以下方法达到。一个PNP横向晶体管由一个具有双重集电极的PNP驱动，该PNP又由一个差分放大器驱动，该差分放大器在具有一个输入端 V_REF，其他输入端由一个连接在稳压器输出端的分压器控制。输出电压由V_REF和分压器分压比决定。该电路将会通过PNP驱动器调整传输晶体管的传导，直到差分放大器的输入相等。

PNP驱动器的第一集电极通过二极管耦合在稳压器的输出端。驱动还有一个第二集电极，用于在第一集电极饱和时收集其发射极电流。第二驱动集电极返回到电源的接地端。当驱动器的第一集电极没有饱和，第二集电极牵引出极少量的电流，因此稳压器的静态工作电流就非常低。在该模式下，驱动器传输晶体管的工作与达灵顿电路非常类似。当传输晶体管接近压差条件时，驱动器第一集电极就会饱和，第二集电极就会传导传输晶体管的基极电流，因此就会使其饱和电压降至一个非常低的值，以此来提供低压差。 

驱动晶体管可以制成一个常规的横向晶体管，其中，第二集电极是常规PN结独立单片式IC中的衬底。作为选择，第二集电极可以是一个围绕常规第一横向集电极的环形集电极。当第一集电极正常工作时，第二集电极中流过的电流实际为零。但是当第一集电极饱和时，发射极电流就会流到衬底或是连接在衬底上的第二集电极。在本发明的另一个可选实例中，一个导电埋层嵌入到了IC中的发射极下方。因此，射向衬底的载流子将会被反射，第一集电极就会非常有效，这样，只有极少量的载流子被衬底收集。当第一集电极饱和时，它会重新向暴露在埋层边缘的衬底发射载流子。这就意味着当第一集电极饱和时，衬底就会变成一个有效的集电极。 

对比专利文献：CN102915061 极低静态电流的低压降稳压器201110224037.9 

附图说明：

图1为本发明稳压器的原理图；

图2为包含图1中驱动晶体管的IC芯片的部分剖面图；

图3为图2中实线3处结构的横截面；

图4为包含图1中驱动晶体管可选实例的IC芯片部分的剖面图；

图5为图4中实线5处结构的横截面。

在图2和4中，为了清楚起见，沿着平面氧化物的金属镀层和钝化膜被略去了。图3和图5不是按比例的，为了清楚起见，在垂直方向上进行了夸张。 

具体实施方式： 

图1为本发明稳压器的原理图。输入端V_CC电源的正极连接在端子10上，负极接在接地端11上。稳压输出在端子12处。输出电流由PNP传输晶体管13提供。在使用这样的横向发射极晶体管的地方，使用的发射极的数量以及有效的发射极面积由所需要的额定电流决定。一个直径10微米的发射极可以在相当高的β下提供大约3毫安的电流。

传输晶体管13由一个双集电极PNP横向驱动晶体管14驱动。第一集电极通过二极管15耦合到传输晶体管13的集电极上。第二集电极如图所示接地。驱动晶体管14的构造在下面会具体说明。在通常条件下，第一集电极将会接收几乎所有的发射极电流。因此在通常情况下，当传输晶体管13没有工作在接近压差的状态时，二极管15就会导通，晶体管14中的极少量电流就会流入接地端，作为静态工作电流。 

晶体管14由差分放大器16驱动，差分放大器16的反相输入端耦合在V_REF端17上。电阻18和19构成分压器从输出端12耦合至差分放大器16的同相输入端。形成的高增益放大回路将会驱动传输晶体管13调整端子12处的电压，直至差分放大器16的差分输入电压接近于零。因此，输出或者稳压就由V_REF的值以及分压器决定（电阻18和19）。例如，如果电阻18和19提供20:1的电压降，1.25伏的V_REF就能产生一个25伏的稳压输出。 

在正常工作下，根据上面所指出的，二极管15导通，驱动晶体管14与传输晶体管13组成的达林顿结构一同工作。该结构从静态工作电流来说是十分合算的。但是这样的结构具有高得令人难以接受的饱和电压。这就产生了过多的压差。在图1中的电路中，当V_CC接近V_OUT，端子10到12的压降接近并小于1.5伏时，二极管15的传导就会降低，晶体管14中的第一集电极就会饱和。该操作会将晶体管14中发射极电流转移至第二集电极，并因此将电路从达林顿转换为一个共集电极驱动器。该种驱动器可以很容易使得传输晶体管饱和，此时的压降为1伏的一小部分。因此，就很容易获得低于1伏的压差。 

驱动晶体管14可以通过不止一种途径获得。图2展示了其中一种的IC剖面图。图3为图2结构在线3—3处的横截面。在图2以及之后的图中，为了清楚起见，沿着任何平面氧化物的常规IC金属镀层以及钝化膜都被略去了。需要理解的是，这样在IC结构中常常被采用的层将会以常规方式被应用。 

片段20表示IC芯片中包括晶体管14的部分。环21表示常规IC的独立扩散区。圆形区域22—24表示P+型发射极扩散区，并延伸至一个位于P型衬底之上的N型外延层中。这些作为晶体管14的发射极，并且通常由图中未画出的金属镀层平行连接。图中只展示了3个这样的扩散区，但是需要理解的是任何需要的数量都是可以采用的。这个数量由晶体管中所需要的全部电流所决定。扩散区25是一块P+区域，同样延伸至外延的N型材料中，形成集电极。该扩散区中含有空穴，所以它围绕着每一个独立的发射极元件。扩散区26是另一个具有波状外形的P+环，围绕着集电极25，并且延伸至N型外延层材料中。扩散区27是重掺杂的N++区域，作为连接至N型外延材料的基极。图3横截面所示的这些元件是通过发射极22选取的一部分。因为图2和图3中常规的IC金属镀层被省略，所以仅仅展示了图3中的原理以及其功能。 

图4展示了晶体管14的一个可选实例芯片的片段29。区域30为一个P++独立环形扩散区，其延伸完全通过了外延层，由此提供一个独立的N型桶状结构。同样，在31—33处展示了三个P+发射极，及其周围的第一P+集电极34，它们延伸进N型外延材料中。一个N++基极连接35提供一个连接至外延材料的欧姆连接。虚线36为埋层，该埋层由位于外延层与衬底分界面的N+嵌入物组成。图5展示了片段29在线5—5处选取的横截面的细节。埋层36位于发射极31下方，在正常工作下，当发射极31其正向偏置时，就会将少数载流子注入N型基极，它们由第一集电极34收集。任何垂直注入P型衬底的少数载流子将会被反射回第一集电极34，第一集电极34又会很有效地对它们进行收集。这就意味着埋层36横向晶体管的动作能有效变化，这样静态工作电流就会非常低了。但是，当集电极34饱和时，注入的载流子就会被第一集电极重新发射，之后又被埋层36边缘的P型衬底收集。因此，衬底就是由独立扩散区30连接的第二集电极，并且其可以在第一集电极34饱和时，作为集电极有效地工作。与图3类似，图5中的众多元件标记的连接仅是原理上的展示。 

例子 

图1、图2和图3所示的结构通过使用常规的单片集成电路设计进行构造。传输晶体管13为横向结构，为了获得1050毫安的稳压器额定电流，采用了350个发射极。驱动晶体管采用了52个发射极。额定电流下的压差为500毫伏。额定值下的静态工作电流只有50毫安。

根据本发明原则，人们会发现，它还可以被应用于其他的电路，为说明起见，本发明不受限制，只受本发明的权利要求所限制。 

Claims (4)

1.一种减小静态工作电流的低压差稳压器，其特征是：一种具有可连接至工作电源的正负极电源线的集成稳压器电路，上述电路具有低压差，低静态工作电流，该电路包括：一个具有发射极、集电极和基极的PNP传输晶体管，其发射极耦合在上述正极电源线，集电极提供稳压输出；一个具有基极、发射极和集电极的PNP控制晶体管，其发射极耦合在上述传输晶体管的基极，第一横向集电极通过一个常规的正向偏置二极管耦合在上述传输晶体管的集电极上，第二集电极通常从属于上述横向第一集电极，并且能够在上述第一横向集电极饱和时收集注入的载流子；一个差分放大器，其输出端耦合在上述控制晶体管的基极，同相输入端耦合在参考电势上，其还具有一个反相输入端。

2.根据权利要求1所述的一种减小静态工作电流的低压差稳压器，其特征是：上述控制晶体管包括一系列独立发射极，一个环绕着上述每一个发射极的第一横向集电极，上述集成电路衬底在上述第一横向集电极饱和时相当于第二晶体管，对载流子进行收集。

3.根据权利要求2所述的一种减小静态工作电流的低压差稳压器，其特征是：上述控制晶体管的第一横向集电极被第二横向集电极环绕，第二横向集电极连接在上述电路衬底上。

4.根据权利要求2所述的一种减小静态工作电流的低压差稳压器，其特征是：上述控制晶体管具有埋藏式导电衬垫，位于上述发射极下方，上述埋藏式导电衬垫抑制了直接位于发射极下方的衬底区域的收集效应，并且允许了衬底区域在上述第一集电极饱和时的收集效应。

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