CN104267774B - 一种线性电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简单的线性电源电路，所述的线性电源电路输出电压为两个二极管连接的NMOS管和PMOS管的串联电压，电路采用三级级联的放大器结构，并采用负反馈以减小负载变化和电源电压波动带来的输出电压变化，稳定输出电压。本电路的输入电流为纳安级，大部分MOS管工作在亚阈值区，因此正常工作时的功耗非常低，此外，通过调整电流镜负载以及镜像比例等方法还可以实现对输出电压的调节。

Description

一种线性电源

技术领域

本发明主要涉及线性电源电路的设计领域，特指一种简单的线性电源电路。

背景技术

对于模拟集成电路而言，电源系统的好坏影响电路性能的许多方面，一些高精度模拟电路，如高精度模数转换器(ADC)、高精度数模转换器(DAC)、仪表放大器等，这类电路通常都需要一个高质量的电源供电，电源电路的实现比较复杂，设计难度和成本都比较高。但是一些对电源要求不很高的电路，比如模拟模块中规模较小的数字电路，RC振荡器等，这类电路的电源如果采用LDO供电，性能固然会更好，但是这会导致过设计，实际上一个结构相对简单的线性电源完全满足这类电路对电源的需求。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的问题，提出一种简单的线性电源电路。

本发明提出的解决方案为：本电路的输出电压为两个二极管连接的NMOS管和PMOS管的串联电压，电路采用三级级联的放大器结构，并采用负反馈以减小负载变化和电源电压波动带来的输出电压变化，稳定输出电压。本电路的输入电流为纳安级，大部分MOS管工作在亚阈值区，因此正常工作时的功耗非常低，此外，通过调整电流镜负载以及镜像比例等方法还可以实现对输出电压的调节。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，第一级放大器以M4为放大管，M9为负反馈管，M5和M7为负载管；第二级放大器以M6为放大管，M2为负载管；第三级以M10为放大管，M3和M8为负载。假设由于负载的变化导致输出电压V_o变高，NMOS管M5栅极电压的变大导致其漏极电压降低，也就是说PMOS管M7的栅极电压降低，这又导致PMOS管M6的漏极电压升高，也就是PMOS管M10的栅极电压升高，于是其漏极电压降低，输出电压Vo也减小。这是一个负反馈过程，稳定了输出电压。输出电压的表达式为：

V_o＝V_GS3+V_SG8(1)

图1中输入电流I₀为纳安级，因此电流镜MOS管都工作在亚阈值导通区，根据亚阈值MOS管的电流公式：

$I_{\mathrm{ds}}=I_{D0}\frac{W}{L}{e}^{\frac{V_{\mathrm{GS}}}{n{V}_T}}---\left(2\right)$

式中n>1，为非理想因子，V_T为热力学电压，在常温下其值约为26mV，I_D0为MOS管饱和漏电流，于是得到：

$V_{\mathrm{GS}}=n{V}_T\ln \frac{I_{\mathrm{ds}}\·L}{I_{D0}\·W}---\left(3\right)$

对于M3，可得：

$V_{\mathrm{GS}3}=n{V}_T\ln (\frac{I_2}{I_{\mathrm{Dn}}}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M3})---\left(4\right)$

同理，对于M8：

$V_{\mathrm{GS}8}=n{V}_T\ln (\frac{I_2}{I_{\mathrm{Dp}}}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M8})---\left(5\right)$

将式(4)和式(5)代入式(1)可得输出电压为：

$V_o=V_{\mathrm{GS}3}+V_{\mathrm{SG}8}=n{V}_T\ln [\frac{{I_2}^2}{I_{\mathrm{Dp}}\·I_{\mathrm{Dn}}}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M3}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M8}]---\left(6\right)$

假设图1中电流镜的镜像关系为：M1和M2的宽长比为1:a，M6和M7的宽长比为1:b，M3和M4的宽长比为1:c，于是可以得到I₂和I₀之间的关系为： $I_2=\frac{\mathrm{ab}\·I_0}{c},$ 带入式(6)，

$V_o=n{V}_T\ln [\frac{a^2{b}^2{I_0}^2}{c^2{I}_{\mathrm{Dp}}\·I_{\mathrm{Dn}}}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M3}\·{\left(\frac{L}{W}\right)}_{M8}]---\left(7\right)$

从上式可以看出，通过调节镜像比例、M3和M8的宽长比以及输入电流I₀都可以调节输出电压，为实现比较稳定的电压输出，就需要输入电流的稳定性比较好。

图1中，由放大管M6和负载管M2组成的共源级放大器提供主要的电压增益，在M2的漏极会产生一个主极点，从稳定性考虑增加了米勒补偿电容C1。由于PMOS管的电子迁移率比NMOS管低，因此PMOS管M8和M9的栅极接地比NMOS管M3和M4的源极接地能产生更大的输出电阻，能有效的增加负反馈的程度，提高电路的稳定性，同时大电阻条件下可降低电路中的电流，从而减小功耗。此外，由于M3和M8都须为倒比管，具有很小的宽长比，保证了其导通电流非常小，且镜像到M4、M9以及M7、M6的电流也很小，从而保证了这些管子都工作在亚阈值区，降低了电路的功耗，提高了电源效率。

Claims (1)

1.一种线性电源电路，其特征在于：

NMOS管M1栅漏短接，并接到外部输入电流源I₀的电流输出端，源极接地GND；所述的外部输入电流源I₀为纳安级；NMOS管M2的栅极接NMOS管M1的栅极，源极接地GND，漏极接PMOS管M6的漏极；NMOS管M3的栅漏短接并接输出端V_o，源极接PMOS管M8的源极；NMOS管M4的栅极接输出端V_o，源极接PMOS管M9的源极，漏极接NMOS管M5的源极；NMOS管M5的栅极接输出端V_o，源极接NMOS管M4的漏极，漏极接PMOS管M7的漏极；PMOS管M6的栅极接PMOS管M7的栅极，源极接电源VDD，漏极接NMOS管M2的漏极；PMOS管M7的栅漏短接并接到NMOS管M5的漏极，源极接电源VDD；PMOS管M8的栅漏短接并接到电源地GND，源极接NMOS管M3的源极；PMOS管M9的栅极接PMOS管M8的栅极，源极接NMOS管M4的源极，漏极接电源地GND；PMOS管M10的栅极接NMOS管M2的漏极，源极接电源VDD，漏极接输出端V_o；补偿电容C1的一端接NMOS管M2的漏极，另一端接输出端V_o。