CN103616916A

CN103616916A - 一种低电压差稳压器的电压差的电路

Info

Publication number: CN103616916A
Application number: CN201310612816.5A
Authority: CN
Inventors: 李志鹏
Original assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-03-05

Abstract

一种低电压差稳压器的电压差的电路，采用一个PNP晶体管来产生一个低电压差。导通晶体管的饱和度产生过度的衬底电流，该电流以可以降低稳压器效率的浪费电流的形式出现。由饱和捕获栅电路控制的一个电流被采用，以避免导通晶体管饱和。该饱和捕获栅是动态控制的，所以电压差被最小化，而且在高稳态输出电流上，稳压器保持良好的性能。

Description

一种低电压差稳压器的电压差的电路

技术领域：

在稳压器中，电压降被定义为输入端和输出端之间的电压差，其中，电路不再对输入电压的进一步减少而调节。一个低压差是电池供电设备的最大利益，其中，电源电压随着时间的推移而下降。首先，低压差意味着导通晶体管消耗更少的功率，从而使效率提高。其次，由于电池电压随着时间的推移而下降，一个低压差意味着，在必须更换电池或充电之前，更大的电压是可以承受的。

背景技术：

在使用常规集成电路结构的典型低压差稳压器中，导通晶体管被构造为大面积的PNP横向晶体管。图1是一个典型的低压差稳压器的示意图。该电路通常使用硅外延，PN结隔离制造，这种结构在本技术领域中众所周知。该电路在输入端10接收一个“+”信号，在接地端11接收一个“-”信号，并在输出端12上提供一个稳定的输出。导通PNP晶体管13具有一个面积，它是最小面积单元的二十五到几百倍，晶体管13的基极是由一个共发射极NPN驱动器14驱动的，该驱动器的基极和发射极之间连接了一个偏置电阻15。该电阻设置流过晶体管17的电流。发射极电阻16退化了晶体管14的增益，其集电极由电流源38设置。共集电极NPN晶体管17作为一个射极跟随器运行，它通过电阻器18驱动晶体管14的基极。PNP晶体管19作为一个偏置电平转换的射极跟随器运行，它驱动晶体管17的基极。电流源20设置在晶体管19的发射极电流。差分放大器（差放）21形成了放大器的输入级。晶体管22和23中分别形成同相和反相输入端的电流，由电流源24设置。NPN晶体管25和26在输入级21上形成电流镜负载。负载输入晶体管25是二极管连接，而且包括基极电阻27。负载输出晶体管26和晶体管23的输出端为晶体管19的基极提供了一个单端驱动器。晶体管26还包括电阻28的基极，和一个由电阻器29和电容器30组成的频率补偿网络。

一个传统的带隙基准电路31连接到晶体管22的基极，它产生一个与温度无关的恒定的电压。这个参考电压通常是1.25伏。电阻器32和33形成一个分压器，连接在输出端12和接地端之间。该分压器抽头，节点34连接到晶体管23的基极上，以给调节器提供负反馈，从而稳定电路操作。端子12处的输出电压将被驱动到这个水平，这将导致在节点34处的电压等于晶体管22的基极的参考电压。由于涉及一个高增益负反馈回路，输出电压将保持恒定温度，与温度，输入电压，以及稳压器负载电流的变化无关。

当一个PNP晶体管，如元件13，进入饱和状态时，它的结构是这样的，它会将少数载流子注入到IC芯片的n型外延区。这些载流子由P型隔离材料收集，从而流动到芯片基板。该基板电流造成芯片的电压下降，它可以对相邻的有源器件产生不利影响。此外，这种过大的基板电流被丢失了，且对输出电流没有贡献。因此，它仅用于加热IC芯片和表示效率的降低。因此，在结构纳入一个电路操作，以减少或避免晶体管13中的饱和。该电路操作被指定为“饱和捕获栅”，而且是通过晶体管35完成的，它按以下所述方式工作。

PNP晶体管35将其发射极连接到晶体管13的集电极上，基极连接到晶体管13的基极。正常工作条件下饱和捕获栅35是关闭的。随着晶体管13接近饱和，其集电极上升到高于其基极，饱和捕获栅35将打开，并给晶体管36的基极提供电流，从而运行和下拉晶体管14的基极，这将降低上升的晶体管13基极上的驱动。在电路的正常操作过程中，当饱和捕获栅35处于关闭状态，电阻器37将其基极返回到地，从而将其关闭。由此可以看出，在电位等于V_IN+V_BE35-V_BE13时，饱和捕获栅35上的操作将钳住晶体管13的集电极。这意味着，当高于一个V_SAT时，稳压器的电压差电位从晶体管13的V_SAT增加到晶体管13和35的基极和发射极之间的电位差时，其仍远低于一个V_BE。

图2是一个曲线图，示出了图1电路在25℃的性能。曲线39是晶体管13的V_BE的走势图。曲线40显示了60毫伏/倍频程的理论线性积，它用来显示了在更高的电流上，理论线性条件下，从晶体管13的V_BE出发的走势图。曲线41是晶体管35的V_BE走势图。稳压器的电压差等于曲线39减去曲线41的差值。显然，在高电流上，晶体管13的V_BE占电压差的主导地位。

发明内容：

本发明的一个目的是减少稳压器的电压差，该稳压器使用了一个PNP导通晶体管，可以避免输出PNP的严重饱和。

本发明的另一个目的是，在一个稳压器电路上采用一个饱和捕获栅，其中，严重饱和PNP那个晶体管得以避免，电压差随着导通晶体管的电流的函数，动态地减少。

本发明的技术解决方案：

这些和其它目的的实现如下。稳压器采用了饱和捕获栅电路，它可以避免PNP导通晶体管的严重饱和。导通晶体管电流的一小部分是饱和捕获栅晶体管的镜像，以便V_BE随着导通晶体管电流的增加而增加。因此，电压差不会和电流一样陡，因为这是在饱和捕获栅电流基本上保持恒定的情况下。

对比专利文献：CN202067171U低压差线性稳压器201120123290.0，CN202183059U低压差线性稳压器201120214958.2

附图说明：

图1是现有技术的稳压器集成电路的示意图，该电路采用一个PNP导通晶体管和一个饱和捕获栅。

图2是一个曲线图，示出了PNP导通晶体管的V_BE，和图1中饱和捕获栅的输出电流的函数图。

图3是根据本发明的一个实施例，其中一个稳压器的示意图。

图4是一个曲线图，示出了PNP导通晶体管的V_BE，和图3中饱和捕获栅的输出电流的函数图。

图5是根据本发明的另一个实施例，其中一个稳压器的示意图。

具体实施方式：

图3是根据本发明的一个实施例，其中一个稳压器的示意图。所在部位的功能和图1所示相同，且使用相同的标号。所有组件，10至34，36至38的功能，都和图1所示的相同。然而，通过饱和捕获栅35的电流不同。在图中1中，在饱和捕获栅35中流动的电流是基本恒定的，其值等于：I₃₅＝V_BE36/R₃₇,其中：V_BE36是晶体管36的基极_-发射极电压，R₃₇是电阻器37的阻值。

如图3所示，晶体管42将其基极-发射极电路与PNP导通晶体管13的基极-发射极并联，并且镜像了稳压器V_OUT端12的一小部分。因此，流入电流镜49的电流将随着稳压器的负载电流的改变而改变。晶体管42的大小是晶体管13大小的一小部分（一个典型的比率是1/400），以便于一个正比于输出负载电流的电流流入电流镜49。反射输出电流将流过二极管连接的晶体管43和电阻器45。在电压差条件下，输出晶体管44然后将从饱和捕获栅35下沉一个可变电流，该捕获栅在一个相对恒定电流上不再运作。由于PNP晶体管13接近饱和，以增加输出电流，饱和捕获栅35中的电流现在将会变成V_BE36/R₃₇,加上晶体管44的集电极电流。因此，晶体管13的V_BE的任何增加都被饱和捕获栅35的V_BE的增加部分抵消。这个操作如图4的曲线图中所示。由此可以看出，曲线39（晶体管13的V_BE）和图2中的是相同的，但是，如曲线47所示，饱和捕获栅35的V_BE按比例上升。这将与图2中的曲线41进行对比。由于曲线39和47之间的差异在较高的电流值时显著减小，调节器电路的高电流压差大幅减小。通常情况下，图4中，在400毫伏的曲线47比图2中的曲线41高10毫伏左右。电压差的按比例减少是存在的。

图5是根据本发明的另一个实施例，其中一个稳压器的示意图。再次，元件操作与图1相同，也使用相同的编号。这里饱和捕获栅35'的连接不同。其基极被连接到晶体管13的基极，它的集电极连接到晶体管25的集电极上，其发射极通过一个相对小的值（200欧姆的顺序），将电阻48耦合到晶体管13的集电极。晶体管44的集电极连接到饱和捕获栅35'的发射极和电阻48的节点处。当PNP导通晶体管13接近饱和，饱和捕获栅35'将打开，并将电流注入到晶体管25的集电极。这种注入电流将抵消误差放大，在这样一种方式，来减少导通PNP晶体管13的基极驱动。可以看出的是，跟踪稳压器的负载电流的晶体管44的集电极电流，在电阻器48中流动，从而产生一个电压降，加到饱和捕获栅35'的V_BE上。在本实施例中，饱和捕获栅35'的V_BE保持相对恒定，电阻48两端的电压降提供了动态减少压差。

图5所示电路采用传统的单片硅的平面，外延，PN结隔离部分的集成电路结构。PNP晶体管13的面积约为晶体管42的400倍，所以，当输出为150毫安时，晶体管42中的电流是约是0.4毫安。本电路采用以下元件：

元件	值
		电阻器16	18欧姆
电阻器18	0欧姆
		电流源20	3微安
电流源24	6微安
		电阻器27	110欧姆
电阻器28	100欧姆
		电阻器29	350欧姆
电容30	40皮法
		电流源38	3微安
电阻器32	135.7k欧姆
		电阻器33	42.9k欧姆
电阻器45	1.0k欧姆
		电阻器46	2.0k欧姆
电阻器48	400欧姆

一个0.06微安的电流源用来代替电阻器15，从晶体管14的基极接到地。该电路产生一个5伏稳压输出，在晶体管13不饱和时，可以提供超过150毫安的电流。在150毫安时，最大电压差为250毫伏。随着晶体管44禁用，电压差高出100毫伏。

本发明已经描述完毕，一个优选实施例也被详细说明。替代品也被描述了。在本发明的精神和意图之内，当本领域技术人员在读取前面的描述时，其它的替代品和等同物将是显而易见的。因此，它被用于在本发明的范围内且仅被下面的权利要求限制。

Claims

1.一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：它包括具有一个基极和一个集电极的PNP晶体管；一个PNP饱和捕获栅晶体管，它的发射极耦合到所述导通晶体管的集电极，基极耦合到所述导通晶体管的基极，它还具有一个集电极，其中，所述耦合到该饱和捕获栅晶体管的装置包括：一个电流检测装置，用于检测在所述通晶体管中流动的电流，并提供一个感应电流，所述感应电流与在导通晶体管中流动的电流成正比；一个电流源，具有一个输入端和一个输出端，所述输入端被连接，以接收该感应电流，该电流源从其输出端获得的输出电流与所述感应电流大致成正比。

2.根据权利要求1所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：所述电路的输出电压基本上等于，导通晶体管的基极-发射极电压减去饱和捕获栅晶体管的基极-发射极电压；饱和捕获栅晶体管的集电极连接到电流镜的输出端；该电路还包括：一个PNP导通晶体管，它具有一个基极和一个集电极；一个PNP饱和捕获栅晶体管，它的发射极耦合到所述导通晶体管的集电极，它的基极耦合到所述导通晶体管的基极；它还有一个集电极；耦合到所述饱和捕获栅晶体管的装置，用于改变一个在所述饱和捕获栅晶体管中流过的电流，使之与在导通晶体管中流动的电流基本成正比，从而所述饱和捕获栅晶体管的基极-发射极电压随着导通晶体管电流的增加而增加，其中，耦合到所述饱和捕获栅晶体管的装置包括：一个PNP的电流源晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极，该发射极和基极与所述导通晶体管的发射极和基极分别并联，从而所述电流源晶体管的集电极产生一个感应电流；一个NPN电流镜，具有一个输入端和一个输出端，该输入端子被耦合到电流源晶体管的集电极，该NPN电流镜在所述输入端运行该感应电流，所述NPN电流镜在其输出端运行的输出电流基本上正比于在输入端运行的感应电流。

3.根据权利要求2所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：导通晶体管的面积比电流源晶体管的面积大得多，由此，感应电流其实只是在导通晶体管中流动的电流的一小部分；NPN电流镜的输出端被连接到饱和捕获栅晶体管的集电极；用于减少一个稳压器的电压降的方法，运用一个导通晶体管，一个饱和捕获栅晶体管，一个检测装置和一个电流源，导通晶体管具有一个基极和一个集电极，饱和捕获栅晶体管具有一个发射极，该方法包括以下步骤：运行通过导通晶体管的第一电流；动态控制由饱和捕获栅晶体管运行的第二电流，使之大致与第一电流成正比，以便使得所述导通晶体管的基极和集电极之间的电压随着第一电流的增加而增加；控制步骤包括以下步骤：提供一个感应电流，与第一电流成正比，并提供第三电流，与感应电流成正比，第三电流改变第二电流，其中，该检测装置运行所述感应电流，而电流源运行第二电流。

4.根据权利要求3所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：所述感应电流是由所述导通晶体管运行的第一电流的一小部分；该方法进一步包括：运行通过一个电阻器的第四电流的步骤，该电阻器被连接在所述饱和捕获栅晶体管的发射极和导通晶体管的集电极之间；第四电流随着第三电流的增加而增加；导通晶体管基极和集电极之间的电压大致等于饱和捕获栅晶体管的基极-发射极电压加上电阻两端的电压降；导通晶体管的基极和集电极之间的电压等于饱和捕获栅晶体管的基极-发射极电压；一个稳压器包括：一个第一PNP晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极；一个第二PNP晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极；第二PNP型晶体管的发射极耦合到第一PNP晶体管的集电极上，第二PNP型晶体管的基极耦合到第一PNP晶体管的基极上；控制电路耦合到第二PNP型晶体管，该电路控制由第二PNP晶体管运行的电流，使之基本上正比于在第一PNP晶体管上流动的电流，从而使第二PNP晶体管的基极-发射极电压响应第一PNP晶体管中流动的电流的变化而变化，其中，控制电路包括：一个第三PNP型晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极，它的发射极和基极分别和第一PNP晶体管的发射极和基极并联，从而第三PNP型晶体管的集电极上产生一个感应电流；一个电流镜，具有一个输入端和一个输出端，该输入端连接到所述第三PNP型晶体管的集电极，并运行所述感应电流，该输出端运行一个输出电流，使其基本上正比于输入端的感应电流。

5.根据权利要求4所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：所述电流镜包括：一个第一NPN晶体管，它具有一个发射极和一个集电极，该集电极连接到所述电流镜的输入端；一个第二NPN晶体管，它具有一个发射极和一个集电极，该集电极连接到所述电流镜的输出端；电路还包括：第一电阻元件，它连接到所述第一NPN晶体管的发射极；第二电阻元件，它连接到第二NPN晶体管的发射极；第一PNP晶体管的面积比第三PNP晶体管大很多，从而，感应电流是第一PNP晶体管中流动的电流的一小部分，第二PNP型晶体管的集电极连接到电流镜的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：它包括：一个导通晶体管；它有一个基极和一个集电极；一个饱和捕获栅晶体管，它的发射极耦合到导通晶体管的集电极，基极耦合到导通晶体管的基极，以及一个集电极；和耦合到饱和捕获栅晶体管集电极的装置，用于改变在饱和捕获栅晶体管中流动的电流，使之基本上与导通晶体管中流动的电流成正比，从而，导通晶体管的基极和集电极之间的电压随着导通晶体管中流动的电流的增加而增加，其中，耦合到饱和捕获栅晶体管集电极的装置包括：一个电流检测装置，用于检测导通晶体管中流动的电流，并提供一个感应电流，感应电流是正比于导通晶体管中流动的电流；一个电流源，具有一个输入端和一个输出端，所述输入端被连接，以接收该感应电流，电流源在其输出端运行一个输出电流，使之大致与所述感应电流成正比；导通晶体管的基极和集电极之间的电压就是饱和捕获栅晶体管的一个基极-发射极电压；电阻元件连接在饱和捕获栅晶体管的发射极和导通晶体管的集电极。

7.根据权利要求6所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：电路的电压降基本上等于导通晶体管基极-发射极电压的电压降减去所述电阻元件两端的电压降和所述饱和捕获栅晶体管的发射极-基极电压之和；所述控制装置控制流过电阻元件的电流，以使之随着由导通晶体管运行的电流的增加而增加。

8.根据权利要求7所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：该电路包括：一个第一PNP晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极；一个第二PNP晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极；所述第二PNP型晶体管的发射极耦合到第一PNP晶体管的集电极，第二PNP晶体管的基极耦合到第一PNP晶体管的基极；一个第一电阻元件连接在第二PNP型晶体管的发射极和第一PNP晶体管的集电极之间；一个控制电路耦合第二PNP型晶体管，它控制由第二PNP型晶体管运行的电流，使之基本上正比于在所述第一PNP晶体管中流动的电流，从而第二晶体管的基极-发射极电压的第一电阻元件两端的电压降的总和，随着在第一PNP晶体管中流动的电流的变化而变化，所述控制电路包括：一个第三PNP型晶体管，它具有一个发射极，一个集电极和一个基极，该发射极和基极分别和第一PNP晶体管的发射极和基极并联，从而在所述第三PNP晶体管集电极产生了一个感应电流；一个电流镜，它具有一个输入端和一个输出端，该输入端子连接到所述第三PNP晶体管的集电极，并运行该感应电流，该输出端连接到第二PNP型晶体管的发射极，所述电流镜在其输出端运行一个输出电流，使之基本上正比于输入端运行的感应电流。

9.根据权利要求8所述的一种低电压差稳压器的电压差的电路，其特征在于：所述电流镜包括：一个第一NPN型晶体管，它具有一个集电极连接到所述电流镜的输入端，一个第二NPN晶体管，它具有一个发射极和一个集电极，第二NPN型晶体管的集电极连接到所述电流镜的输出端；一个第二电阻元件，它连接到所述第一NPN型晶体管的发射极，一个第三电阻元件连接到第二NPN型晶体管的发射极。