CN109298745A - 同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法，电路包括启动电路、带隙基准电路、双电压域基准电流源转化电路和误差放大器，所述启动电路的输出端连接带隙基准电路的输入端，所述带隙基准电路的输出端连接双电压域基准电流源转化电路的输入端，所述双电压域基准电流源转化电路的输出端连接误差放大器的输入端。本发明通过双电压域基准电流源转化电路完成了基准电流工作在不同电压域的转换，灵活地解决了芯片内部由VHD供电和由VDD供电的电路所需的基准电流源的来源问题，大大降低了芯片的功耗和面积，实用性高。本发明作为一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法，可广泛应用于集成IC电路技术领域。

Description

同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法

技术领域

本发明涉及集成IC电路技术领域，尤其是一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法。

背景技术

随着便携式电子产品的不断普及，具有快速响应、高功率密度的低成本线性稳压电源的开发越来越活跃。目前，便携式产品普遍采用电池供电的方式，其中，市场上又一般采用线性稳压器(如7800系列三端稳压器)和开关稳压器来为提供抗短路能力，但是，传统的线性稳压器和开关稳压器均无法满足延长电池的使用寿命以及延长电池的待机时间的要求，实用性较低。

另一方面，伴随着系统主电源的不断降低，市场上对于新型稳压电源的需求也更加强烈。传统的线性稳压器，如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V～3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。

另外，芯片内部一般需要同时采取2种电压域进行工作，高电压域是为了提高芯片的发射功率等功能，低电压域用于降低整体芯片功耗和芯片版图面积的信号处理等功能。目前市场上还没有能够同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种实用性高的同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路及方法。

本发明一方面所采取的技术方案为：

一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，包括启动电路、带隙基准电路、双电压域基准电流源转化电路和误差放大器，所述启动电路的输出端连接带隙基准电路的输入端，所述带隙基准电路的输出端连接双电压域基准电流源转化电路的输入端，所述双电压域基准电流源转化电路的输出端连接误差放大器的输入端。

进一步，所述启动电路包括第一5V的P型MOS管、第一5V的N型MOS管、第二5V的N型MOS管以及第七电阻，所述第七电阻的一端连接高电压域，所述第七电阻的另一端连接第一5V的P型MOS管的源极，所述第一5V的P型MOS管的栅极连接第二5V的N型MOS管的栅极和带隙基准电路的输入端，所述第一5V的P型MOS管的漏极连接第一5V的N型MOS管的栅极和第二5V的N型MOS管的漏极，所述第一5V的N型MOS管的源极接地，所述第一5V的N型MOS管的漏极连接带隙基准电路的输入端。

进一步，所述带隙基准电路包括第二5V的P型MOS管、第三5V的P型MOS管、第四5V的P型MOS管、第六5V的P型MOS管、第七5V的P型MOS管、第五5V的N型MOS管、第六5V的N型MOS管、第七5V的N型MOS管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极、第五5V的P型MOS管的栅极和第六5V的P型MOS管的漏极均与第一5V的N型MOS管的漏极连接，所述第一电阻的一端分别连接第二5V的P型MOS管的漏极和第一三极管的发射极，所述第一电阻的另一端、第一三极管的基极、第二三极管的基极、第一三极管的集电极和第二三极管的集电极都接地，所述第二5V的P型MOS管的漏极与第一三极管的发射极连接，所述第二电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第二电阻的另一端连接第二三极管的发射极，所述第三电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的一端连接第四5V的P型MOS管的漏极，所述第四电阻的另一端接地。

进一步，所述第六5V的P型MOS管、第七5V的P型MOS管、第五5V的N型MOS管、第六5V的N型MOS管和第七5V的N型MOS管组成一级运算放大器，所述第五5V的N型MOS管的栅极连接高电压域，所述一级运算放大器的输出端分别连接第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极以及第五5V的P型MOS管的栅极。

进一步，所述第一三极管、第二三极管和第二电阻组成第一电流产生器；所述第一电流产生器的基准电压与绝对温度成正比；所述第一三极管、第二三极管、第二电阻、第一电阻和第三电阻组成第二电流产生器，所述第二电流产生器的基准电压与绝对温度互补。

进一步，所述双电压域基准电流源转化电路包括第五5V的P型MOS管、第三5V的N型MOS管、第四5V的N型MOS管、第一18V的P型MOS管、第二18V的P型MOS管、第三18V的P型MOS管和第一18V的N型MOS管；

所述第五5VP型MOS管的栅极分别连接第二5VP型MOS管的栅极、第三5VP型MOS管的栅极和第四5VP型MOS管的栅极，所述第五5VP型MOS管的漏极连接高电压域，所述第五5VP型MOS管、第二5VP型MOS管、第三5VP型MOS管和第四5VP型MOS管组成第一电流镜；

所述第四5V的N型MOS管的栅极连接第三5V的N型MOS管的栅极，所述第四5V的N型MOS管的源极和第三5V的N型MOS管的源极均接地，所述第四5V的N型MOS管和第三5V的N型MOS管组成第二电流镜；

所述第一18V的P型MOS管、第二18V的P型MOS管和第一18V的N型MOS管组成第三电流镜。

进一步，所述误差放大器包括第八5V的P型MOS管、第九5V的P型MOS管、第八5V的N型MOS管、第九5V的N型MOS管和第十5V的N型MOS管。

本发明另一方面所采取的技术方案是：

一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的方法，包括以下步骤：

通过启动电路控制电路导通；

在电路导通后，通过带隙基准电路进行带隙基准，以实现电压基准；

通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源；

通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压。

进一步，所述通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源这一步骤，其具体为：

通过组建第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜，将高电压域的电流转换成低电压域的电流，得到双电压域的基准电流源。

进一步，所述通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压这一步骤，其具体为：

通过运算放大器将低电压域与基准电压进行比较；

根据比较结果控制P型MOS管的栅极，形成负反馈结构。

本发明的有益效果是：本发明包括启动电路、带隙基准电路、双电压域基准电流源转化电路和误差放大器，通过双电压域基准电流源转化电路完成了基准电流工作在不同电压域的转换，灵活地解决了芯片内部由VHD供电和由VDD供电的电路所需的基准电流源的来源问题，大大降低了芯片的功耗和面积，还能同时实现线性稳压，实用性高。

附图说明

图1为本发明实施例的第一电路原理图；

图2为本发明实施例的第二电路原理图；

图3为本发明实施例的完整电路原理图，

图4为本发明实施例的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1、图2和图3，本发明的实施例提出了一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路。本实施例的电路结构主要是由启动电路、带隙基准电路、双电压域基准电流源转化电路以及误差放大运算放大器等电路组成。如图1和图2所示，其中P50Mx的MOS管代表5V的P型MOS管；P18Mx的MOS管代表1.8V的N型MOS管；N50Mx的MOS管代表5V的N型MOS管；N18Mx的MOS管代表1.8V的N型MOS管。由于芯片内部电路工作同时需要VHD和VDD两种打压供电，而芯片外接的电压一般只有VHD，因此需要一个线性稳压电路来产生VDD，与此同时，由于芯片内部的电路工作中，两种电压域都需要基准电流源来产生基准电流，于是本发明提出了以下这种能同步实现线性稳压与双电压与基准电流源的电路结构。

如图1所示，进一步作为优选的实施方式，所述启动电路由第一5V的P型MOS管P50M1、第一5V的N型MOS管P50N1、第二5V的N型MOS管P50N2和第七电阻R7组成。

具体地，如图1所示，第七电阻R7的一端接VHD，第七电阻R7的另一端接P50M1的源极；P50M1的栅极接N50M2的栅极和P50M2的漏极，P50M1的漏极接N50M1的栅极和N50M2的漏极；N50M1的源极接地，N50M1的漏极接P50M2的栅极、P50M3的栅极、P50M4的栅极、P50M5的栅极和P50M6的漏极；N50M2的漏极接地。

本发明的启动电路的工作原理为：启动电路接入电源VHD后，随着VHD的升高，P50M1的电源电压VGS逐渐增大，当该电源电压达到P50M1的开启电压VTH时，P50M1打开，此时，N50M1打开并将共源栅结构的P50M2、P50M3、P50M4、P50M5导通启动，P50M1和N50M2栅极电压上升，N50M2导通，迅速将N50M1栅极电压拉到0，N50M1关闭，即代表启动完成。本发明在启动电路中引入了电阻R7是为了大幅降低在启动过程中引起的大电流，保护了电路的同时，降低了功耗，并且提高了电路的可靠性。

如图1和图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述带隙基准电路包括第二5V的P型MOS管P50M2、第三5V的P型MOS管P50M3、第四5V的P型MOS管P50M4、第六5V的P型MOS管P50M6、第七5V的P型MOS管P50M7、第五5V的N型MOS管N50M5、第六5V的N型MOS管N50M6、第七5V的N型MOS管N50M7、第一三极管D1、第二三极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极、第五5V的P型MOS管的栅极和第六5V的P型MOS管的漏极均与第一5V的N型MOS管的漏极连接，所述第一电阻的一端分别连接第二5V的P型MOS管的漏极和第一三极管的发射极，所述第一电阻的另一端、第一三极管的基极、第二三极管的基极、第一三极管的集电极和第二三极管的集电极都接地，所述第二5V的P型MOS管的漏极与第一三极管的发射极连接，所述第二电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第二电阻的另一端连接第二三极管的发射极，所述第三电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的一端连接第四5V的P型MOS管的漏极，所述第四电阻的另一端接地。

如图1和图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述第六5V的P型MOS管、第七5V的P型MOS管、第五5V的N型MOS管、第六5V的N型MOS管和第七5V的N型MOS管组成一级运算放大器，所述第五5V的N型MOS管的栅极连接高电压域，所述一级运算放大器的输出端分别连接第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极以及第五5V的P型MOS管的栅极。

具体地，所述第六5V的P型MOS管P50M6、第七5V的P型MOS管P50M7、第五5V的N型MOS管N50M5、第六5V的N型MOS管N50M6和第七5V的N型MOS管N50M7组成一级运算放大器，N50M5栅极接VHD为所述一级运算放大器提供尾电流，所述一级运算放大器的输出与P50M2、P50M3、P50M4、P50M5的栅极相连。

如图1和图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述第一三极管D1、第二三极管D2和第二电阻R2组成第一电流产生器。

其中，所述第一电流产生器是一个PTAT(proportional to absolutetemperature)基准电压与绝对温度成正比的电流产生器。

如图1和图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述第一三极管D1、第二三极管D2、第二电阻R2、第一电阻R1和第三电阻R3组成第二电流产生器，所述第二电流产生器的基准电压与绝对温度互补。

其中，所述第二电流产生器是一个CTAT(complementary to absolutetemperature)基准电压与绝对温度互补的电流产生器。

本实施例将CTAT电流与PTAT电流求和。随着温度的上升，二极管压降减少，从而使得流过R1、R3电阻的电流减少(即符合CTAT)。

如图1和图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述双电压域基准电流源转化电路包括第五5V的P型MOS管P50M5、第三5V的N型MOS管N50M3、第四5V的N型MOS管N50M4、第一18V的P型MOS管P18M1、第二18V的P型MOS管P18M2、第三18V的P型MOS管P18M3和第一18V的N型MOS管N18M1.

具体地，所述双电压域基准电流源转化电路的连接方式如图1和图2所示：P50M5的栅极与P50M2的栅极、P50M3的栅极、P50M4的栅极连接在一起，并且所述P50M5与P50M2、P50M3和P50M4尺寸匹配一样，P50M5的漏极接VHD；

如图2所示，进一步作为优选的实施方式，所述第五5VP型MOS管P50M5、第二5VP型MOS管P50M2、第三5VP型MOS管P50M3和第四5VP型MOS管P50M4组成第一电流镜。

其中，第一电流镜用于镜像基准电流，P50M5的漏极分别与N50M3的栅极和N50M3的漏极连接在一起，N50M3充当该支路电流的负载；同时N50M4的栅极与N50M3的栅极相连，所述第四5V的N型MOS管N50M4的源极和第三5V的N型MOS管N50M3的源极均接地，尺寸匹配。

如图2和图3所示，进一步作为优选的实施方式，所述第四5V的N型MOS管N50M4和第三5V的N型MOS管N50M3组成第二电流镜。

本实施例对支路电流进行镜像；为实现双电压域基准电流源的转化，N50M3和N50M4选择的是5V的低电压阈值Vth的NMOS管；

如图2和图3所示，进一步作为优选的实施方式，所述第一18V的P型MOS管P18M1、第二18V的P型MOS管P18M2和第一18V的N型MOS管N18M1组成第三电流镜。

本实施例通过P18M1、P18M2、N18M1形成第三组镜像，P18M1的源极和P18M2的源极接的是VDD，用于完成基准电流工作在不同电压域的转换，为芯片内VDD供电的电路提供了基准电流源；另外，本实施例的P18M3的栅极接PD(powerdown)待机信号，可以控制该支路电流置为0，使得芯片内其他使用该基准的电路进入休眠状态。

本发明的双电压域基准电流源转化电路，灵活地解决了芯片内部由VHD供电和由VDD供电的电路所需的基准电流源的来源问题，有机地将模块复用，大大降低了芯片的功耗和面积，有效的降低了芯片的成本。

如图2和图3所示，进一步作为优选的实施方式，所述误差放大器包括第八5V的P型MOS管P50M8、第九5V的P型MOS管P50M9、第八5V的N型MOS管N50M8、第九5V的N型MOS管N50M9和第十5V的N型MOS管N50M10。

具体地，本实施例的误差放大器是由P50M8、P50M9、N50M8、N50M9、N50M10组成的一级运算放大器，主要功能是将VDD分压后得到的电压与基准电压比较，将误差放大后控制调整管P50M10的栅极，形成负反馈结构，用来保持VDD的稳定。为了降低功耗，本实施例采用一级差分运算放大器，与带隙基准电路中的放大器类似；另外，为了提高稳定性，本实施例的N50M8的偏置电压是由带隙基准产生的偏置电压代替。调整管采用的是PMOS管，因为NMOS管工作时栅控电压需要比输出电压高，而PMOS管没有栅控电压没有这样的要求。将调整管的输入端和输出端的电压差称为漏失电压Vdo：当输入电压低于某个临限值得时候，调整管就失去了对输出电压的调控能力。

本发明通过图2电路中的运算放大器将取样电路采到的电压与图1中产生的参考电平5进行比较，运算放大器输出控制信号以调整P50M10的栅极电压大小，进而调整VDD的大小，从而实现线性稳压。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的方法，包括以下步骤：

通过启动电路控制电路导通；

在电路导通后，通过带隙基准电路进行带隙基准，以实现电压基准；

通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源；

通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压。

进一步作为优选的实施方式，所述通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源这一步骤，其具体为：

通过组建第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜，将高电压域的电流转换成低电压域的电流，得到双电压域的基准电流源。

进一步作为优选的实施方式，所述通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压这一步骤，其具体为：

通过运算放大器将低电压域与基准电压进行比较；

根据比较结果控制P型MOS管的栅极，形成负反馈结构。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：包括启动电路、带隙基准电路、双电压域基准电流源转化电路和误差放大器，所述启动电路的输出端连接带隙基准电路的输入端，所述带隙基准电路的输出端连接双电压域基准电流源转化电路的输入端，所述双电压域基准电流源转化电路的输出端连接误差放大器的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述启动电路包括第一5V的P型MOS管、第一5V的N型MOS管、第二5V的N型MOS管以及第七电阻，所述第七电阻的一端连接高电压域，所述第七电阻的另一端连接第一5V的P型MOS管的源极，所述第一5V的P型MOS管的栅极连接第二5V的N型MOS管的栅极和带隙基准电路的输入端，所述第一5V的P型MOS管的漏极连接第一5V的N型MOS管的栅极和第二5V的N型MOS管的漏极，所述第一5V的N型MOS管的源极接地，所述第一5V的N型MOS管的漏极连接带隙基准电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述带隙基准电路包括第二5V的P型MOS管、第三5V的P型MOS管、第四5V的P型MOS管、第六5V的P型MOS管、第七5V的P型MOS管、第五5V的N型MOS管、第六5V的N型MOS管、第七5V的N型MOS管、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极、第五5V的P型MOS管的栅极和第六5V的P型MOS管的漏极均与第一5V的N型MOS管的漏极连接，所述第一电阻的一端分别连接第二5V的P型MOS管的漏极和第一三极管的发射极，所述第一电阻的另一端、第一三极管的基极、第二三极管的基极、第一三极管的集电极和第二三极管的集电极都接地，所述第二5V的P型MOS管的漏极与第一三极管的发射极连接，所述第二电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第二电阻的另一端连接第二三极管的发射极，所述第三电阻的一端连接第三5V的P型MOS管的漏极，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的一端连接第四5V的P型MOS管的漏极，所述第四电阻的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述第六5V的P型MOS管、第七5V的P型MOS管、第五5V的N型MOS管、第六5V的N型MOS管和第七5V的N型MOS管组成一级运算放大器，所述第五5V的N型MOS管的栅极连接高电压域，所述一级运算放大器的输出端分别连接第二5V的P型MOS管的栅极、第三5V的P型MOS管的栅极、第四5V的P型MOS管的栅极以及第五5V的P型MOS管的栅极。

5.根据权利要求3所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述第一三极管、第二三极管和第二电阻组成第一电流产生器；所述第一电流产生器的基准电压与绝对温度成正比；所述第一三极管、第二三极管、第二电阻、第一电阻和第三电阻组成第二电流产生器，所述第二电流产生器的基准电压与绝对温度互补。

6.根据权利要求4所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述双电压域基准电流源转化电路包括第五5V的P型MOS管、第三5V的N型MOS管、第四5V的N型MOS管、第一18V的P型MOS管、第二18V的P型MOS管、第三18V的P型MOS管和第一18V的N型MOS管；

所述第五5VP型MOS管的栅极分别连接第二5VP型MOS管的栅极、第三5VP型MOS管的栅极和第四5VP型MOS管的栅极，所述第五5VP型MOS管的漏极连接高电压域，所述第五5VP型MOS管、第二5VP型MOS管、第三5VP型MOS管和第四5VP型MOS管组成第一电流镜；

所述第四5V的N型MOS管的栅极连接第三5V的N型MOS管的栅极，所述第四5V的N型MOS管的源极和第三5V的N型MOS管的源极均接地，所述第四5V的N型MOS管和第三5V的N型MOS管组成第二电流镜；

所述第一18V的P型MOS管、第二18V的P型MOS管和第一18V的N型MOS管组成第三电流镜。

7.根据权利要求1所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的电路，其特征在于：所述误差放大器包括第八5V的P型MOS管、第九5V的P型MOS管、第八5V的N型MOS管、第九5V的N型MOS管和第十5V的N型MOS管。

8.一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过启动电路控制电路导通；

在电路导通后，通过带隙基准电路进行带隙基准，以实现电压基准；

通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源；

通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压。

9.根据权利要求8所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的方法，其特征在于：所述通过双电压域基准电流源转化电路对基准电压进行转换，得到双电压域的基准电流源这一步骤，其具体为：

通过组建第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜，将高电压域的电流转换成低电压域的电流，得到双电压域的基准电流源。

10.根据权利要求8所述的一种同步实现线性稳压与双电压域基准电流源的方法，其特征在于：所述通过误差放大器对基准电流源进行反馈调节，以实现线性稳压这一步骤，其具体为：

通过运算放大器将低电压域与基准电压进行比较；

根据比较结果控制P型MOS管的栅极，形成负反馈结构。