CN112462835B - 低压线性稳压器 - Google Patents

Abstract

低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管，所述耗尽型NMOS管的漏极连接输入电压，所述耗尽型NMOS管的源极连接输出端；第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的源极；第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的栅极和所述第一电阻的第二端；温度系数调节电路，所述温度系数调节电路连接在所述第二电阻的第二端与参考地之间。所述低压线性稳压器能够为集成电路提供在一定范围内的稳定所需电压。

Description

低压线性稳压器

技术领域

本发明涉及稳压器领域，尤其涉及一种低压线性稳压器。

背景技术

集成电路芯片中，常遇到供电电压比器件的耐压高的情况，需要在芯片内部将高的供电电压转换到一定范围内且器件能够耐受的电压，使电路能够正常稳定地工作且不会损坏。

有多种方式可以实现供电电压的转换。线性稳压器(Linear Regulator)，特别是低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO)是一种常用的电压转换方法。

但是大多数低压线性稳压器都需要一定的辅助启动电路，使系统内部先产生一个电压基准，并根据该基准对输出电压进行调节稳压；稳压二极管是一种简单的电压基准，但是在该器件在很多集成电路工艺上没有或是该电压基准的电压太高，无法满足现代工艺中器件工作电压越来越低的要求。

许多现代集成电路加工工艺中都有耗尽型MOS管(depletion MOS)，这种器件具有“常开”的特性，即在小于0V的栅-源电压(Gate-to-Source电压，或Vgs)下，其沟道是处于开通的状态。利用这个负阈值电压的特性，该器件常被用来作为电子系统的启动电路。另一种类似的器件是JFET，但是这种器件结构比较特殊，大多数集成电路工艺没有提供该器件。

更多有关现有低压线性稳压器的内容请参考公开号为CN1210636C、CN107066003A和CN108008755A的相应内容。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种线性稳压器，能够为集成电路提供在一定范围内的所需稳定电压。

为解决上述问题，本发明提供了一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管，所述耗尽型NMOS管的漏极连接输入电压，所述耗尽型NMOS管的源极连接输出端；第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的源极；第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的栅极和所述第一电阻的第二端；温度系数调节电路，所述温度系数调节电路连接在所述第二电阻的第二端与参考地之间。

可选的，所述温度系数调节电路包括增强型NMOS管，所述增强型NMOS管的漏极和栅极连接所述第二电阻的第二端，所述增强型NMOS管的源极连接参考地。

可选的，所述温度系数调节电路包括NPN三极管，所述NPN三极管的集电极和基极连接所述第二电阻的第二端，所述NPN三极管的发射极连接参考地。

可选的，所述温度系数调节电路包括增强型NMOS管、第三电阻和第四电阻；所述增强型NMOS管的漏极连接所述第二电阻的第二端，所述增强型NMOS管的源极连接参考地；所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端连接所述增强型NMOS管的栅极；所述第四电阻的第一端连接所述增强型NMOS管的栅极，所述第四电阻的第二端连接参考地。

可选的，所述温度系数调节电路包括NPN三极管、第三电阻和第四电阻；所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端连接所述NPN三极管的基极；所述第四电阻的第一端连接所述NPN三极管的基极，所述第四电阻的第二端连接参考地。

可选的，通过调节所述增强型NMOS管的沟道宽长比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述增强型NMOS管的温度系数相对应。

可选的，通过调节所述第二电阻和第一电阻的阻值之比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述增强型NMOS管的温度系数相对应。

可选的，通过调节所述第二电阻和第一电阻的阻值之比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述NPN三极管的温度系数相对应。

可选的，所述的低压线性稳压器还包括反馈电路，所述反馈电路包括比较器、第五电阻和第六电阻；所述第五电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的源极，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接参考地；所述比较器的输出端连接所述耗尽型NMOS管的栅极；所述比较器的正端连接参考电压，所述比较器的负端连接所述第五电阻的第二端。

本发明技术方案的其中一个方面中，使用耗尽型MOS(NMOS)管，加上两个额外的电阻，能够实现一个非常简单的，可任意调节输出电压值的，并且能够自启动的线性稳压电源，为集成电路内部系统提供一定范围内的所需稳定供电电压；另一方面中，通过增加一个与耗尽型MOS(NMOS)管具有相反的温度依赖性的器件，可以使上面的线性稳压电源输出电压对温度敏感性大大降低，从而进一步改善了输出电压的稳定性。

附图说明

图1是一个耗尽型NMOS管作为低压线性稳压器的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种低压线性稳压器的示意图；

图3是本发明另一实施例提供的另一种低压线性稳压器的示意图；

图4是本发明另一实施例提供的另一种低压线性稳压器的示意图；

图5是本发明另一实施例提供的另一种低压线性稳压器的示意图；

图6是本发明另一实施例提供的另一种低压线性稳压器的示意图。

具体实施方式

MOSFET通常有增强型(Enhance-Mode)和耗尽型(Depletion-Mode)。用耗尽型MOSFET管，可以实现简单的，能自启动的低压线性稳压器，为集成电路芯片的内部电路供电。这种稳压器利用了该类MOS管的阈值作为基准，将高的供电电压转换为低的输出电压。

但是，发明人分析，耗尽型MOSFET和其它MOSFET一样，它的阈值电压具有显著的温度依赖关系，使得相应的低压线性稳压器的输出电压随环境温度的变化而变化。加上，加工工艺容差，更增加了相应低压线性稳压器的输出电压的误差，使得该类低压线性稳压器无法满足要求。例如，具体的，如图1所示，显示了一个耗尽型NMOS管作为低压线性稳压器的情况。它的阈值(Vth)是负值，当它的栅极接地，漏极接一个电压VIN时，且当VIN≥|Vth1|时，源极的电压约等于M1的阈值|Vth|，如图1所示，整个电路的输出电压VOUT＝(-Vgs1)≈|Vth1|。可见，整个电路的输出电压VOUT，在实际应用中无法为内部线路供电，发明人分析其原因是：1.阈值电压Vth在常见的工艺中只有-1.2V，通常远低于实际需求；2.阈值Vth随温度变化大。

为此，本发明设计利用耗尽型MOSFET实现一种新的低压线性稳压器，并用相应设计，对以上所述的输出电压随阈值温度依赖性产生的变化，进行补偿和矫正，使得该低压线性稳压器的输出电压稳定度得到很大改善，从而能够实现自启动(self-startup)，为系统提供初始启动电压。并且，在系统启动后，可以通过负反馈调整耗尽型MOS管的栅压，使得其输出精确稳定，满足系统正常供电的要求。

为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。

请参考图2，本发明实施例提供一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管M1，耗尽型NMOS管M1的漏极连接输入电压VIN，耗尽型NMOS管M1的源极连接输出端；第一电阻R1，第一电阻R1的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极；第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接耗尽型NMOS管M1的栅极和第一电阻R1的第二端；温度系数调节电路，温度系数调节电路连接在第二电阻R2的第二端与参考地之间。温度系数调节电路为增强型NMOS管M2。

相比于图1，本实施例的电路增加温度系数调节电路，即增加了增强型NMOS管M2。增强型NMOS管M2的漏极和栅极连接第二电阻R2的第二端，增强型NMOS管M2的源极连接参考地。这样的设置，目的是利用增强型NMOS管M2的阈值电压负温度系数，与耗尽型NMOS管M1的阈值电压正温度系数匹配，从而产生一个精度很高的基准电压，使整个电路成为一个对温度的敏感性减小的低压线性稳压器。

图2所示的低压线性稳压器，能够将整个低压线性稳压器电路的输出电压VOUT升高，形成输出电压升高的线性稳压电路。并且，加入了增强型NMOS管M2后，整个低压线性稳压器的输出电压VOUT可以由以下公式表示：

VOUT＝(-Vgs1)(1+Rv2/Rv1)+Vgs2……(1)

公式(1)中，其中Vgs1为耗尽型NMOS管M1的栅源电压，Vgs2为增强型NMOS管M2的栅源电压，Rv1为第一电阻R1的阻值，Rv2为第二电阻R2的阻值。

通过调节电阻第二电阻R2和第一电阻R1的比例，输出电压VOUT可以随意调节，从而使得输出电压VOUT能够达到给连接它的电路的所需供电电压。相比于图1，该电路等效于将阈值放大了1+Rv2/Rv1倍。也就是说，通过选取第二电阻R2与第一电阻R1的电阻值比例，该电路可以获得所需的输出电压值。

而该电路在将输出电压VOUT升高为原阈值(图1所示电路阈值)的1+Rv2/Rv1倍的同时，耗尽型NMOS管M1的阈值Vth随温度的变化，也被放大了1+Rv2/Rv1倍。为了减小以上非理想状况，改进输出电压对温度的稳定性，增强型NMOS管M2的引入，能够达到对非理想因素的补偿。

与图1中的电路相比，图2中的电路中，Vgs1和Vgs2的温度系数相反。此时，可以通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的电阻值比例，使得它们对温度的依赖关系互相抵消，从而使得该稳压器的输出电压对温度的敏感性减小。

在实际应用中，这是可以实现的。

MOS管的Vgs电压，是其阈值电压和过驱动电压Vov之和，即Vgs＝Vth+Vov。Vth呈负温度系数，Vov呈正温度系数。当MOS管工作在饱和区且Vov较大时，Vgs由Vov主导而呈正温度系数，当其工作在亚阈值区或Vov很低时，Vgs的温度系数主要跟随Vth而呈负值。

本实施例通过上述原理，可以通过调整增强型NMOS管M2的尺寸(例如调节的尺寸为宽长比，W/L)，将增强型NMOS管M2调整在亚阈值区，从而使图2中，线性稳压器的输出电压，可以达到很小的温度系数。

根据上述内容可知，本实施例中，可以通过调节增强型NMOS管M2的沟道宽长比，使耗尽型NMOS管M1的温度系数与增强型NMOS管M2的温度系数相对应(而通常不必通过调节耗尽型NMOS管M1的沟道宽长比实现温度系统的相对应，即耗尽型NMOS管M1可以优先考虑电路的其它参数要求，提高电路设计的灵活性)。同时，结合上述公式(1)可知，通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的阻值之比，能够使耗尽型NMOS管M1的温度系数与增强型NMOS管M2的温度系数相对应。相对应是指：(-Vt1)(1+Rv2/Rv1)基本等于Vt2，其中，Vt1为耗尽型NMOS管M1的温度系数，Vt2为增强型NMOS管M2的温度系数。

综上可知，本实施例中，一方面，使用耗尽型MOS管，加上两个额外的电阻，能够实现一个非常简单的，可任意调节输出电压值的，并且能够自启动的线性稳压电源，为集成电路内部系统提供一定范围内的所需稳定供电电压；另一方面，通过增加一个与耗尽型MOS管具有相反的温度依赖性的器件(增强型NMOS管M2)，可以使上面的线性稳压电源输出电压对温度敏感性大大降低，从而进一步改善了输出电压的稳定性。

请参考图3，本发明另一实施例提供另一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管M1，耗尽型NMOS管M1的漏极连接输入电压VIN，耗尽型NMOS管M1的源极连接输出端；第一电阻R1，第一电阻R1的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极；第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接耗尽型NMOS管M1的栅极和第一电阻R1的第二端；温度系数调节电路，温度系数调节电路连接在第二电阻R2的第二端与参考地之间。温度系数调节电路为NPN三极管Q1，NPN三极管Q1的集电极和基极连接第二电阻R2的第二端，NPN三极管Q1的发射极连接参考地。

对比图3和图2可知，本实施例是利用NPN三极管Q1替换增强型NMOS管M2，电路相应调节，而原理基本相同，针对图3所示的电路结构，整个低压线性稳压器的输出电压VOUT可以由以下公式表示：

VOUT＝(-Vgs1)(1+Rv2/Rv1)+Vbe1……(2)

公式(2)中，其中Vgs1为耗尽型NMOS管M1的栅源电压，Vbe1为NPN三极管Q1基极与发射极之间的电压，Rv1为第一电阻R1的阻值，Rv2为第二电阻R2的阻值。

进一步根据上述内容可知，本实施例中，可以通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的阻值之比，能够使耗尽型NMOS管M1的温度系数与NPN三极管Q1的温度系数相对应。相对应是指：(-Vt1)(1+Rv2/Rv1)基本等于Vt3，其中，Vt1为耗尽型NMOS管M1的温度系数，Vt3为NPN三极管Q1的温度系数。

更多本实施例相应内容，可以参考前述实施例相应内容。

请参考图4，本发明另一实施例提供另一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管M1，耗尽型NMOS管M1的漏极连接输入电压VIN，耗尽型NMOS管M1的源极连接输出端；第一电阻R1，第一电阻R1的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极；第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接耗尽型NMOS管M1的栅极和第一电阻R1的第二端；温度系数调节电路，温度系数调节电路连接在第二电阻R2的第二端与参考地之间。温度系数调节电路包括增强型NMOS管M2、第三电阻R3和第四电阻R4。增强型NMOS管M2的漏极连接第二电阻R2的第二端，增强型NMOS管M2的源极连接参考地。第三电阻R3的第一端连接第二电阻R2的第二端，第三电阻R3的第二端连接增强型NMOS管M2的栅极。第四电阻R4的第一端连接增强型NMOS管M2的栅极，第四电阻R4的第二端连接参考地。

对比图4和图2可知，本实施例是增加了第三电阻R3和第四电阻R4用于电路的相应调节，而原理基本相同，针对图4所示的电路结构，整个低压线性稳压器的输出电压VOUT可以由以下公式表示：

VOUT＝(-Vgs1)(1+Rv2/Rv1)+Vgs2(1+Rv3/Rv4)……(3)

公式(3)中，其中Vgs1为耗尽型NMOS管M1的栅源电压，Vgs2为增强型NMOS管M2的栅源电压，Rv1为第一电阻R1的阻值，Rv2为第二电阻R2的阻值，Rv3为第三电阻R3的阻值，Rv4为第四电阻R4的阻值。

根据前述实施例相应内容可知，本实施例中，可以通过调节增强型NMOS管M2的沟道宽长比，使耗尽型NMOS管M1的温度系数与增强型NMOS管M2的温度系数相对应。同时，结合上述公式(3)可知，通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的阻值之比，以及第四电阻R4和第三电阻R3的阻值之比(两个电阻比值可以只调节一个，也可以均进行调节)，能够使耗尽型NMOS管M1的温度系数与增强型NMOS管M2的温度系数相对应。相对应是指：(-Vt1)(1+Rv2/Rv1)基本等于Vt2(1+Rv3/Rv4)，其中，Vt1为耗尽型NMOS管M1的温度系数，Vt2为增强型NMOS管M2的温度系数。

本实施例这种温度系数匹配结构，为相互抵消器件的温度系数，带来更大的灵活性。

更多本实施例相应内容，可以参考前述实施例相应内容。

请参考图5，本发明另一实施例提供另一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管M1，耗尽型NMOS管M1的漏极连接输入电压VIN，耗尽型NMOS管M1的源极连接输出端；第一电阻R1，第一电阻R1的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极；第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接耗尽型NMOS管M1的栅极和第一电阻R1的第二端；温度系数调节电路，温度系数调节电路连接在第二电阻R2的第二端与参考地之间。温度系数调节电路包括NPN三极管Q1、第三电阻R3和第四电阻R4。第三电阻R3的第一端连接第二电阻R2的第二端，第三电阻R3的第二端连接NPN三极管Q1的基极；第四电阻R4的第一端连接NPN三极管Q1的基极，第四电阻R4的第二端连接参考地。

对比图5和图4可知，本实施例是将图4中的NPN三极管Q1替换增强型NMOS管M2，而原理基本相同，针对图5所示的电路结构，整个低压线性稳压器的输出电压VOUT可以由以下公式表示：

VOUT＝(-Vgs1)(1+Rv2/Rv1)+Vbe1(1+Rv3/Rv4)……(4)

公式(4)中，其中Vgs1为耗尽型NMOS管M1的栅源电压，Vbe1为NPN三极管Q1基极与发射极之间的电压，Rv1为第一电阻R1的阻值，Rv2为第二电阻R2的阻值，Rv3为第三电阻R3的阻值，Rv4为第四电阻R4的阻值。

根据前述实施例相应内容可知，本实施例中，通过上述公式(3)可知，通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的阻值之比，以及第四电阻R4和第三电阻R3的阻值之比(两个电阻比值可以只调节一个，也可以均进行调节)，能够使耗尽型NMOS管M1的温度系数与NPN三极管Q1的温度系数相对应。相对应是指：(-Vt1)(1+Rv2/Rv1)基本等于Vt3(1+Rv3/Rv4)，其中，Vt1为耗尽型NMOS管M1的温度系数，Vt3为NPN三极管Q1的温度系数。

更多本实施例相应内容，可以参考前述实施例相应内容。

图2至图5所示低压线性稳压器，结构简单，不需要提供电压基准和其它偏置电流，输入的高压能够被耗尽型NMOS管M1隔离，且能够自动启动，特别适合于做为集成电路系统内的初始供电。

请参考图6，本发明另一实施例提供另一种低压线性稳压器，包括：耗尽型NMOS管M1，耗尽型NMOS管M1的漏极连接输入电压VIN，耗尽型NMOS管M1的源极连接输出端；第一电阻R1，第一电阻R1的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极；第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接耗尽型NMOS管M1的栅极和第一电阻R1的第二端；温度系数调节电路，温度系数调节电路连接在第二电阻R2的第二端与参考地之间。温度系数调节电路包括增强型NMOS管M2。

与图2相比，本实施例的低压线性稳压器还包括反馈电路，反馈电路包括比较器(如图6所示，未标注)、第五电阻R5和第六电阻R6。第五电阻R5的第一端连接耗尽型NMOS管M1的源极，第五电阻R5的第二端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端连接参考地。比较器的输出端连接耗尽型NMOS管M1的栅极。比较器的正端连接参考电压，比较器的负端连接第五电阻R5的第二端。

图6所示的电路满足以下两个公式，当比较器的使能端为低电平，即EN＝0，则：

VOUT＝(-Vgs1)(1+Rv2/Rv1)+Vgs2……(5)

当比较器的使能端为高电平，即EN＝1，则：

VOUT＝Vref(1+Rv5/Rv6)……(6)

根据上述两个公式可以看到，图6所示的低压线性稳压器，增加了反馈电路，虽然增加了电路的复杂性，但是这种低压线性稳压器相应系统中，如果系统启动后，系统内部的更精确的电压基准建立后，可以形成相应的反馈作用(负反馈)，来调节耗尽型NMOS管M1的栅极电压，从而可以使输出电压Vout的精度得到更大程度的提高。

其它实施例中，低压线性稳压器还可以包括误差放大器，所述误差放大器连接在所述耗尽型NMOS管的栅极和源极之间以构成反馈环路，所述反馈环路用于调节所述耗尽型NMOS管的栅极电压。此反馈环路的作用，与前述图6所示实施例的反馈电路作用相同，可以参考前述实施例相应内容。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种低压线性稳压器，其特征在于，包括：

耗尽型NMOS管，所述耗尽型NMOS管的漏极连接输入电压，所述耗尽型NMOS管的源极连接输出端；

第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的源极；

第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的栅极和所述第一电阻的第二端；

温度系数调节电路，所述温度系数调节电路连接在所述第二电阻的第二端与参考地之间。

2.如权利要求1所述的低压线性稳压器，其特征在于，所述温度系数调节电路包括增强型NMOS管，所述增强型NMOS管的漏极和栅极连接所述第二电阻的第二端，所述增强型NMOS管的源极连接参考地。

3.如权利要求1所述的低压线性稳压器，其特征在于，所述温度系数调节电路包括NPN三极管，所述NPN三极管的集电极和基极连接所述第二电阻的第二端，所述NPN三极管的发射极连接参考地。

4.如权利要求1所述的低压线性稳压器，其特征在于，所述温度系数调节电路包括增强型NMOS管、第三电阻和第四电阻；

所述增强型NMOS管的漏极连接所述第二电阻的第二端，所述增强型NMOS管的源极连接参考地；

所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端连接所述增强型NMOS管的栅极；

所述第四电阻的第一端连接所述增强型NMOS管的栅极，所述第四电阻的第二端连接参考地。

5.如权利要求1所述的低压线性稳压器，其特征在于，所述温度系数调节电路包括NPN三极管、第三电阻和第四电阻；

所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端连接所述NPN三极管的基极；

所述第四电阻的第一端连接所述NPN三极管的基极，所述第四电阻的第二端连接参考地。

6.如权利要求2或4所述的低压线性稳压器，其特征在于，通过调节所述增强型NMOS管的沟道宽长比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述增强型NMOS管的温度系数相对应。

7.如权利要求6所述的低压线性稳压器，其特征在于，通过调节所述第二电阻和第一电阻的阻值之比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述增强型NMOS管的温度系数相对应。

8.如权利要求3或5所述的低压线性稳压器，其特征在于，通过调节所述第二电阻和第一电阻的阻值之比，使所述耗尽型NMOS管的温度系数与所述NPN三极管的温度系数相对应。

9.如权利要求1至5任意一项所述的低压线性稳压器，其特征在于，还包括反馈电路，所述反馈电路包括比较器、第五电阻和第六电阻；

所述第五电阻的第一端连接所述耗尽型NMOS管的源极，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接参考地；

所述比较器的输出端连接所述耗尽型NMOS管的栅极；

所述比较器的正端连接参考电压，所述比较器的负端连接所述第五电阻的第二端。

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