CN107402593A - 一种基于硅通孔阵列的无片外电容ldo电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路包括带隙基准电路、误差放大器、驱动器、输出功率管、采样电阻网络和硅通孔电容，误差放大器的正输入端与采样电阻网络的输出端连接，误差放大器的负输入端与带隙基准电路的输出端连接，误差放大器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端驱动输出功率管，输出功率管的输出端分别与采样电阻网络的一端和硅通孔电容的一端连接，采样电阻网络的另一端和硅通孔电容的另一端连接并接地，带隙基准电路、误差放大器、驱动器和输出功率管分别接外部输入电源。该LDO电路无需增加额外电容倍增电路或片外电容，可有效抑制外部输入电源的噪声，具有工艺兼容性好、面积小、容量大、电源抑制比高的优点。

Description

一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路
技术领域
本发明涉及三维集成电路(Three dimensional integrated circuits,3D ICs)技术领域，具体是一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路。
背景技术
伴随便携式电子产品的快速发展，电源管理芯片的需求急剧增加。电源管理的主要目的是提高功率器件的效率，进而延长电池寿命与设备的使用时间。作为电源管理芯片中最为常见的产品，低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)具有电路简单、噪声与功耗低等优点，在各类电子设备中获得广泛的应用。
根据有无片外电容，LDO电路可以分为带片外电容的LDO电路与无片外电容的LDO电路。为LDO系统环路正常工作，带片外电容的LDO电路要求外接微法量级片外电容，通过将环路的主极点控制在LDO电路的输出端，保证环路稳定。该电路具有结构简单、电源抑制比高的优点，但片外电容需要占用额外PCB面积，不适用于微型化电子产品的应用。若将片外电容去除，LDO电路的环路稳定性经受很大的挑战，为了无片外电容的LDO电路环路稳定，通常在功率管栅极与LDO输出端之间增加额外的密勒电容，将主极点控制在功率管栅极，但此类LDO电路的电源抑制比特性较差。采用电容倍增技术，将片内皮法量级电容等效倍增至纳法甚至微法量级，并将该等效电容作为输出电容是另一种常见的无片外电容LDO电路设计方法。但为实现片内电容的倍增，该LDO电路需要增加数个高功耗放大器与偏置模块，会导致过高的静态功耗开销。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，该LDO电路采用3D ICs的硅通孔阵列作为LDO的片内输出电容，无需增加额外电容倍增电路或者片外电容，即可有效抑制外部输入电源的噪声，具有工艺兼容性好、面积小、容量大、电源抑制比高的优点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，包括带隙基准电路、误差放大器、驱动器、输出功率管、采样电阻网络和硅通孔电容，所述的误差放大器的正输入端与所述的采样电阻网络的输出端连接，所述的误差放大器的负输入端与所述的带隙基准电路的输出端连接，所述的误差放大器的输出端与所述的驱动器的输入端连接，所述的驱动器的输出端驱动所述的输出功率管，所述的输出功率管的输出端分别与所述的采样电阻网络的一端和所述的硅通孔电容的一端连接，所述的采样电阻网络的另一端和所述的硅通孔电容的另一端连接并接地，所述的带隙基准电路、所述的误差放大器、所述的驱动器和所述的输出功率管分别接外部输入电源，所述的硅通孔电容由并行连接的N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成，每个所述的同轴硅通孔包括自内而外依次设置的金属内芯、第一二氧化硅介质层、BCB介质层、第二二氧化硅介质层、金属外芯和第三二氧化硅介质层，所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的一端分别经一第一金属片并行连接，形成所述的硅通孔电容的输入电极；所述的N×N个同轴硅通孔的第三二氧化硅介质层分别由一硅衬底包裹，所述的N×N个同轴硅通孔的沿方块阵列一条或两条边长方向的任意相邻的两个同轴硅通孔的金属外芯分别经一第二金属片并行连接，形成所述的硅通孔电容的输出电极，所述的输出电极接地。
作为优选，所述的输出功率管为一PMOS晶体管，所述的驱动器的输出端与所述的PMOS晶体管的栅极连接，所述的PMOS晶体管的源极接所述的外部输入电源，所述的PMOS晶体管的漏极分别与所述的采样电阻网络和所述的硅通孔电容的输入电极连接。输出功率管的栅极与驱动器的输出端连接，由驱动器控制该输出功率管的开关以及输出功率管的源极和栅极的电压大小，实现LDO输出电压的动态调节。
进一步地，所述的采样电阻网络包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，所述的第一采样电阻的一端分别与所述的PMOS晶体管的漏极和所述的硅通孔电容的输入电极连接，所述的第一采样电阻的另一端与所述的第二采样电阻的一端连接，所述的第二采样电阻的另一端与所述的硅通孔电容的输出电极连接并接地。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明公开的基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，采用3D ICs的同轴硅通孔阵列构成的片内电容作为LDO电路的输出电容，该硅通孔电容充分利用阵列中硅通孔垂直排列与电容密度高的特点，能够实现LDO电路的高片内输出电容，无需增加额外电容倍增电路或者片外电容，即可有效抑制外部输入电源的噪声，具有工艺兼容性好、面积小、容量大、电源抑制比高的优点；
(2)本发明公开的基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，通过驱动器驱动输出功率管产生一个高频极点，该极点作为LDO电路的次极点，可补偿硅通孔阵列电容带来的额外零点，从而提高整个LDO电路的环路稳定性。
附图说明
图1为实施例1的LDO电路的结构示意图；
图2为实施例1的LDO电路所用硅通孔电容的俯视图；
图3为实施例1的LDO电路所用硅通孔电容的横剖示意图；
图4为实施例1的LDO电路所用硅通孔电容的纵剖示意图；
图5为实施例2的LDO电路的交流特性曲线；
图6为实施例2的LDO电路的电源抑制比特性曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，如图1～图4所示，包括带隙基准电路、误差放大器、驱动器、输出功率管、采样电阻网络和硅通孔电容，误差放大器的正输入端与采样电阻网络的输出端连接，误差放大器的负输入端与带隙基准电路的输出端连接，误差放大器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端驱动输出功率管，输出功率管的输出端分别与采样电阻网络的一端和硅通孔电容的一端连接，采样电阻网络的另一端和硅通孔电容的另一端连接并接地，带隙基准电路、误差放大器、驱动器和输出功率管分别接外部输入电源Vin，硅通孔电容由并行连接的4×4个同轴硅通孔1以方块阵列形式构成，每个同轴硅通孔1包括自内而外依次设置的金属内芯11、第一二氧化硅介质层12、BCB介质层13、第二二氧化硅介质层14、金属外芯15和第三二氧化硅介质层16，4×4个同轴硅通孔1的金属内芯11的一端分别经一第一金属片31并行连接，形成硅通孔电容的输入电极；4×4个同轴硅通孔1的第三二氧化硅介质层16分别由一硅衬底2包裹，4×4个同轴硅通孔1的沿方块阵列一条边长方向的任意相邻的两个同轴硅通孔1的金属外芯15分别经一第二金属片32并行连接，形成硅通孔电容的输出电极，输出电极接地。
实施例1中，输出功率管为一PMOS晶体管，驱动器的输出端与PMOS晶体管的栅极连接，PMOS晶体管的源极接外部输入电源Vin，PMOS晶体管的漏极分别与采样电阻网络和硅通孔电容的输入电极连接。
实施例1中，采样电阻网络包括串联的第一采样电阻R1和第二采样电阻R2，第一采样电阻R1的一端分别与PMOS晶体管的漏极和硅通孔电容的输入电极连接，第一采样电阻R1的另一端与第二采样电阻R2的一端连接，第二采样电阻R2的另一端与硅通孔电容的输出电极连接并接地。
带隙基准电路为LDO电路提供稳定的输出参考电压，将产生的输出参考电压输出至误差放大器的负输入端，误差放大器将该参考电压与采样电阻网络产生的反馈电压进行比较，并将输出电压通过驱动器输入至PMOS晶体管的栅极，同时，PMOS晶体管的输出电压经采样电阻网络反馈给误差放大器的正输入端，由此构成一个串联电压负反馈网络，实现LDO输出电压的稳定。
假设带隙基准电路产生的输出参考电压为Vref，采样电阻网络的输出电压为Vp，其中根据负反馈工作条件下，误差放大器的正输入端电压等于负输入端电压，可以得到LDO电路的输出电压Vout为，
LDO电路在工作过程中，若外部输入电源Vin波动或负载变化，导致LDO电路的输出电压Vout增大，则采样电阻网络的输出电压Vp与误差放大器的输出电压增加，并通过驱动器传递至PMOS晶体管的栅极，导致PMOS晶体管的栅极电压Vg增加；此时，PMOS晶体管的栅极电压Vsg(Vsg＝Vs-Vg)相应减小，源漏电压Vsd(Vsd＝Vs-Vd)相应增大，进而减小PMOS晶体管的漏极电压Vd，保持LDO电路的输出电压Vout恒定；若外部输入电源Vin波动或负载变化，导致LDO的输出电压Vout减小，则采样电阻网络的输出电压Vp与误差放大器的输出电压减小，并通过驱动器传递至PMOS晶体管的栅极，导致PMOS晶体管的栅极电压Vg减小；此时，PMOS晶体管的栅极电压Vsg(Vsg＝Vs-Vg)相应增大，源漏电压Vsd(Vsd＝Vs-Vd)相应减小，进而增大PMOS晶体管的漏极电压Vd，保持LDO电路的输出电压Vout恒定；LDO的输出电容不仅可以减小因负载变化导致的输出电压波动，而且能够滤除外部输入电源Vin中的纹波，保持输出电压恒定。
实施例2的基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，与实施例1的LDO电路的结构相同，不同之处在于，实施例2中，硅通孔电容由50×50个同轴硅通孔构成。实施例2的LDO电路的交流特性曲线见图5。从图5所示的交流特性曲线可以看出，该LDO电路的直流增益为66.13dB，相位裕度为86.3度，增益裕度为-49.3度，整个LDO电路可以稳定工作。实施例2的LDO电路的电源抑制比特性曲线见图6。从图6所示的电源抑制比特性曲线可以看出，该LDO电路全频段的电源抑制比大于-72.5dB，能够有效抑制输入电源引入的噪声。
本发明采用3D ICs的同轴硅通孔阵列构成的片内电容作为LDO电路的输出电容，实现无片外电容的LDO电路正常工作，并将LDO电路的主极点控制在输出端，极大提高了LDO电路的电源抑制比。相对于其他无片外电容的LDO电路，本发明无需增加额外电容倍增电路或者片外电容结构，具有功耗低、电源抑制比高的特点。

Claims (3)

1.一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，其特征在于包括带隙基准电路、误差放大器、驱动器、输出功率管、采样电阻网络和硅通孔电容，所述的误差放大器的正输入端与所述的采样电阻网络的输出端连接，所述的误差放大器的负输入端与所述的带隙基准电路的输出端连接，所述的误差放大器的输出端与所述的驱动器的输入端连接，所述的驱动器的输出端驱动所述的输出功率管，所述的输出功率管的输出端分别与所述的采样电阻网络的一端和所述的硅通孔电容的一端连接，所述的采样电阻网络的另一端和所述的硅通孔电容的另一端连接并接地，所述的带隙基准电路、所述的误差放大器、所述的驱动器和所述的输出功率管分别接外部输入电源，所述的硅通孔电容由并行连接的N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成，每个所述的同轴硅通孔包括自内而外依次设置的金属内芯、第一二氧化硅介质层、BCB介质层、第二二氧化硅介质层、金属外芯和第三二氧化硅介质层，所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的一端分别经一第一金属片并行连接，形成所述的硅通孔电容的输入电极；所述的N×N个同轴硅通孔的第三二氧化硅介质层分别由一硅衬底包裹，所述的N×N个同轴硅通孔的沿方块阵列一条或两条边长方向的任意相邻的两个同轴硅通孔的金属外芯分别经一第二金属片并行连接，形成所述的硅通孔电容的输出电极，所述的输出电极接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，其特征在于所述的输出功率管为一PMOS晶体管，所述的驱动器的输出端与所述的PMOS晶体管的栅极连接，所述的PMOS晶体管的源极接所述的外部输入电源，所述的PMOS晶体管的漏极分别与所述的采样电阻网络和所述的硅通孔电容的输入电极连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于硅通孔阵列的无片外电容LDO电路，其特征在于所述的采样电阻网络包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，所述的第一采样电阻的一端分别与所述的PMOS晶体管的漏极和所述的硅通孔电容的输入电极连接，所述的第一采样电阻的另一端与所述的第二采样电阻的一端连接，所述的第二采样电阻的另一端与所述的硅通孔电容的输出电极连接并接地。
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