CN113541482B - 线性调整器及电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性调整器及电源装置，该线性调整器包括：偏置电流产生电路，用以根据所述输入电压提供偏置电流，并根据所述偏置电流产生控制电压；功率管，漏极接收所述输入电压，栅极接收所述控制电压，源极产生输出电压；分压反馈单元，与所述功率管的源极连接，用以对所述输出电压分压后产生反馈信号；调节单元，分别与所述偏置电流产生电路和所述分压反馈单元连接，接收所述反馈信号，并根据所述反馈信号调节所述控制电压。该线性调整器可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好，所需版图面积小，能够满足芯片内大部分场合的需求。

Description

线性调整器及电源装置

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种线性调整器及电源装置。

背景技术

低压差线性调整器(Low Dropout Regulator，LDO)简称线性调整器或串联调整器，通过它可以将不稳定的输入电压转换为可调节的直流输出电压，以便于作为其它系统的供电电源。

线性调整器具有电路结构简单、占用芯片面积小和噪声低等优点，已成为电源管理芯片中的重要组成部分。线性稳压器能够为模数转换电路和射频电路等噪声敏感电路提供高精度、低噪声的电源，而且由于结构相对简单，外围元器件少，因而被广泛应用于片上系统芯片中。

但是现有的线性调整器电路存在输出端电压的输出范围会受到极大限制，且结构复杂、占用版图面积较大等问题，不利于片上系统芯片的小型化发展和满足芯片自身的内部需求。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种线性调整器及电源装置，可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好。

根据本发明提供的一种线性调整器，包括：偏置电流产生电路，接收输入电压，用以根据所述输入电压提供偏置电流，并根据所述偏置电流产生控制电压；功率管，漏极接收所述输入电压，栅极接收所述控制电压，源极产生输出电压；分压反馈单元，与所述功率管的源极连接，接收所述输出电压，并对所述输出电压分压后产生反馈信号；调节单元，分别与所述偏置电流产生电路和所述分压反馈单元连接，接收所述反馈信号，并根据所述反馈信号调节所述控制电压。

优选地，线性调整器还包括：输出电容，与所述分压反馈单元并联连接，用于对所述输出电压进行稳压。

优选地，所述偏置电流产生电路包括：第一晶体管，漏极接收所述输入电压，源极通过第一电阻与所述第一晶体管的栅极连接，且所述第一晶体管的源极通过所述第一电阻输出偏置电流，所述第一晶体管的栅极与所述第一电阻的连接处输出所述控制信号。

优选地，所述分压反馈单元包括：第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻依次串联于所述功率管的源极与接地端之间，所述第三电阻和所述第四电阻的连接处输出所述反馈信号。

优选地，所述调节单元包括：第二晶体管，漏极与所述第一晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的栅极与所述第三电阻和所述第四电阻的连接节点连接。

优选地，所述第一晶体管和所述功率管均为高压耗尽型NMOS晶体管。

优选地，所述第一晶体管的导通阈值电压具有负温度特性，所述第一电阻具有负温度特性。

优选地，所述第二电阻具有正温度特性，所述第三电阻和所述第四电阻具有负温度特性。

优选地，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

优选地，所述第二晶体管为低压增强型NMOS晶体管。

优选地，所述第二晶体管的导通阈值电压具有负温度特性。

根据本发明提供的一种电源装置，用于提供供电电压，所述电源装置包括：如上述的线性调整器，所述线性调整器用于实现所述供电电压的稳定输出。

本发明的有益效果是：本发明公开的线性调整器中，功率管、分压反馈单元与调节单元共同组成负反馈环路，利用分压反馈单元对输出电压进行采样，并根据采样结果提供相应的反馈信号，以及根据反馈信号调节功率管的栅极电压，进而调整功率管的源极输出的输出电压，优化了电路结构。

在线性调整器的输出端设置稳定电容，进一步实现了对输出电压的稳定输出。

线性调整器采用的元器件如晶体管和电阻数量少，在保证性能良好的同时，简化了线性调整器的结构。

偏置电流产生电路的结构设置，使得其所产生的偏置电流基本不随输入电压的变化而变化，保证了输出电压的稳定性。

第一晶体管和功率管采用耗尽型晶体管，使得线性调整器能够有极宽的工作电压范围。同时也使得线性调整器可以自启动，而无需额外的电路，进一步的简化了电路结构。

第一晶体管为偏置电流产生管，第二晶体管为低压管，所需版图面积都很小，功率管的尺寸根据对电流能力的需求而定，输出电容为稳压电容，如此，使得线性调整器的尺寸也完全由对电流能力的需求而定，避免了由于其他因素设计造成的面积浪费，实现了线性调整器版图的最优设计。

第一晶体管的导通阈值电压具有负温度特性，第一电阻具有负温度特性，因此偏置电流产生电路的偏置电流产生电路产生的偏置电流具有正温度特性，同时第二晶体管的导通阈值电压具有负温度特性，使得在进行反馈调节时第二晶体管的栅源电压随温度的变化很小，进一步保障了反馈调节的准确性。

进一步的，第二电阻具有正温度特性，第三电阻和第四电阻具有负温度特性，进而可以对反馈信号输出节点处电压进行二次补偿，进一步优化了输出电压的温度特性，保证了输出电压的稳定性。

第一晶体管和第二晶体管均为NMOS晶体管，保障了输出电压不随晶体管的工艺角的变化而变化，进一步的保证了输出电压的稳定性。

应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本发明实施例提供的线性调整器的结构框图；

图2示出本发明实施例提供的线性调整器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出本发明实施例提供的线性调整器的结构框图。

如图1所示，本实施例中，线性调整器包括偏置电流产生电路100、分压反馈单元200、调节单元300以及输出电容Co。

其中，偏置电流产生电路100用于根据输入电压VCC提供偏置电流，并根据偏置电流产生控制电压。

功率管Mpwr的漏极接收输入电压VCC，栅极与偏置电流产生电路100连接，功率管Mpwr的源极提供输出电压Vreg。

优选的，功率管Mpwr为高压耗尽型NMOS晶体管，提高了线性调整器的工作电压的宽度。

分压反馈单元200与功率管Mpwr的源极连接，接收输出电压Vreg，用以对输出电压Vreg分压后产生反馈信号。

调节单元300分别与偏置电流产生电路100以及分压反馈单元200连接，接收反馈信号，并根据反馈信号调节控制电压。

输出电容Co与分压反馈单元200并联连接，用于对输出电压Vreg进行稳压输出。

进一步地，输出电容Co为稳压电容，进一步实现了对输出电压Vreg的稳定输出。

本实施例中，功率管Mpwr、分压反馈单元200与调节单元300共同组成负反馈环路，利用分压反馈单元200对输出电压Vreg进行采样，并根据采样结果提供相应的反馈信号，以及根据反馈信号调节功率管Mpwr的栅极电压(即控制电压)，进而调整功率管Mpwr的源极输出的输出电压Vreg，优化了电路结构，实现对输出电压Vreg的调节和稳定输出，结构简单，性能良好。

图2示出本发明实施例提供的线性调整器的电路结构示意图。

如图2所示，本实施例中，偏置电流产生电路100包括：第一晶体管M1、和第一电阻R1。第一晶体管M1的漏极接收输入电压VCC，源极通过第一电阻R1与其栅极连接，用以输出偏置电流I_b。同时，第一晶体管M1的栅极与第一电阻R1的连接处输出控制信号。

优选的，第一晶体管M1为高压耗尽型NMOS晶体管，提高了线性调整器的工作电压的宽度。且第一晶体管M1的导通阈值电压V_{th_M1}<0。进一步的，当电路上电后功率管Mpwr工作于饱和区。

偏置电流I_b的计算公式如下：

进一步的，假设不考虑电路的二级效应，则偏置电流I_b的大小近乎不会随输入电压VCC的变化而变化。

优选的，第一晶体管M1的导通阈值电压V_{th_M1}具有负温度特性，其物理特性随温度的升高(降低)而降低(升高)。第一电阻R1具有负温度特性，其物理特性随温度的升高(降低)而降低(升高)。因此，由公式(1)可知，偏置电流I_b具有正温度特性。

分压反馈单元200包括：第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4依次串联于功率管Mpwr的源极(节点C)与接地端之间。

优选地，第二电阻R2具有正温度特性。第三电阻R3和第四电阻R4均均具有负温度特性。可以对反馈信号输出节点处电压(即节点B的电压V_B)进行二次补偿，进而使得输出电压Vreg具有良好的温度特性。

调节单元300包括第二晶体管M2。第二晶体管M2的漏极与第一晶体管M1的栅极(节点A)连接，第二晶体管M2的源极接地，第二晶体管M2的栅极与第三电阻R3和第四电阻R4的连接节点(节点B)连接。

优选地，第二晶体管M2为低压增强型NMOS晶体管，第二晶体管M2的导通阈值电压V_{th_M2}具有负温度特性，以及当电路上电后第二晶体管M2工作于饱和区。

下面结合上述描述对线性调节器的工作原理进行详细介绍：

本实施例中，第一晶体管M1为偏置电流产生管，且由于第一晶体管M1为耗尽型NMOS晶体管，因此第一晶体管M1始终导通。在输入电压VCC上电后，第一晶体管M1和第一电阻R1一同产生偏置电流I_b，节点A跟随输入电压VCC启动，且在节点A启动后，第二晶体管M2、功率管Mpwr、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4也随之启动。也即是说，该线性调整器可以实现自启动，而无需额外的启动信号和启动电路，可以实现自启动。

进一步地，本实施例中，第二晶体管M2、功率管Mpwr、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4共同组成负反馈环路。当输出电压Vreg的电压值即电路中节点C的电位降低后，节点B的电位也随之降低，相应的第二晶体管M2的栅源电压V_{gs_M2}减小，即此时第二晶体管M2的漏端电流小于偏置电流I_b，进而节点A的电位被拉升。由于功率管Mpwr、第二电阻R2和第三电阻R3为源极跟随器结构，因此节点C的电位被上拉。相似原理的，当节点C的电位升高时，工作在饱和区的第二晶体管M2和功率管Mpwr、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4共同组成负反馈环路将节点C的电位下拉，进而最终实现对输出电压Vreg的稳压输出。稳压后的输出电压Vreg的大小为：

优选地，第一晶体管M1和功率管Mpwr均为高压耗尽型NMOS晶体管，因此本发明的线性调整器有极宽的工作电压范围，如下：

其中，V_{ds_Mpwr}为功率管Mpwr的漏极与源极之间的电压。

进一步地，本实施例所公开的线性调整器中，功率管Mpwr的管子尺寸根据电路对电流能力的需求而定；第一晶体管M1为偏置电流产生管，因此管子尺寸很小；第二晶体管M2为低压管，其版图面积或尺寸小；输出电容Co为稳压电容。因此，综上可知，本实施例中线性调整器的尺寸或版图面积几乎由功率管Mpwr和输出电容Co的尺寸决定，也即是说，完全由电路对电流的需求而定，没有犹豫其它任何因素或设计造成的版图面积浪费，且线性调整器的结构简单，晶体管数量少，进一步的实现了版图面积的最优化设计。

由上述可知，在偏置电流产生电路100中，偏置电流I_b具有正温度特性，第二晶体管M2的导通阈值电压V_{th_M2}具有负温度特性，而第二晶体管M2的栅极即节点B的静态工作点为：VB＝f(I_b，V_{th_M2})。因此，随着温度的降低(升高)，偏置电流I_b减小(增大)，第二晶体管M2的导通阈值电压V_{th_M2}增大(减小)，当基准电流I_b流经第二晶体管M2时，在负反馈回路的作用下，生成的栅源电压V_{gs_M2}随温度的变化很小，进而可以得到如下公式：

其中，第二电阻R2具有正温度特性，第三电阻R3和第四电阻R4具有负温度特性，

具有温度特性微调项，其温度特性可正可负，用于微调随温度变化已经很小的VB，最终实现输出电压V_reg几乎不随温度变化。

另一方面，由于第一晶体管M1和第二晶体管M2均为NMOS晶体管，其工艺偏差的方向也近乎一致(例如工艺角均偏向ss或者ff等方向)，并且第一晶体管M1和第二晶体管M2在相同工艺角方向上的阈值变化是相同的(例如，在工艺角ss下，第一晶体管M1的导通阈值电压V_{th_M1}和第二晶体管M2的导通阈值电压V_{th_M2}均增大)。因此，第二晶体管M2的栅极即节点B的静态工作点为：VB＝f(I_b，V_{th_M2})＝f((V_{th_M1}/R1)，V_{th_M2})。

其中，第一电阻R1的阻值很小，其对VB的影响可以忽略。当出现工艺角变化时，第一晶体管M1的导通阈值电压V_{th_M1}减小(增大)，在负反馈环路的作用下，生成的栅源极电压V_{gs_M2}随工艺角的变化很小，即节点B的静态工作点VB随工艺角的变化微很小，进而可以得到：

其中，

为电阻比例值，为常数，工艺角的变化近似的被抵消，即可以近似得到不随工艺角变化的输出电压V_reg电位。

本发明还公开了一种电源装置，用于提供供电电压。该电源装置包括如上述的线性调整器，用以实现供电电压的稳定输出。

综上，本实施例公开的线性调整器可以实现稳定的电压输出，结构简单，性能良好，所需晶体管的数量少，能够实现版图设计的最优化，满足芯片内大部分场合的需求。且最终输出的输出电压不随温度和晶体管的工艺角的变化而变化，电压的稳定性更强。

应当说明的是，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种线性调整器，其特征在于，包括：

偏置电流产生电路，用以根据输入电压提供偏置电流，并根据所述偏置电流产生控制电压；

功率管，漏极接收所述输入电压，栅极接收所述控制电压，源极产生输出电压；

分压反馈单元，与所述功率管的源极连接，接收所述输出电压，并对所述输出电压分压后产生反馈信号；

调节单元，分别与所述偏置电流产生电路和所述分压反馈单元连接，接收所述反馈信号，并根据所述反馈信号调节所述控制电压，

其中，所述偏置电流产生电路包括：

第一晶体管，漏极接收所述输入电压，源极通过第一电阻与所述第一晶体管的栅极连接，且所述第一晶体管的源极通过所述第一电阻输出偏置电流，所述第一晶体管的栅极与所述第一电阻的连接处输出所述控制电压；

所述分压反馈单元包括：第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻依次串联于所述功率管的源极与接地端之间，所述第三电阻和所述第四电阻的连接处输出所述反馈信号；

所述第二电阻具有正温度特性，所述第一电阻、所述第三电阻和所述第四电阻具有负温度特性。

2.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述线性调整器还包括：输出电容，与所述分压反馈单元并联连接，用于对所述输出电压进行稳压。

3.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述调节单元包括：

第二晶体管，漏极与所述第一晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的栅极与所述第三电阻和所述第四电阻的连接节点连接。

4.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述第一晶体管和所述功率管均为高压耗尽型NMOS晶体管。

5.根据权利要求4所述的线性调整器，其特征在于，所述第一晶体管的导通阈值电压具有负温度特性。

6.根据权利要求1所述的线性调整器，其特征在于，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

7.根据权利要求3所述的线性调整器，其特征在于，所述第二晶体管为低压增强型NMOS晶体管。

8.根据权利要求7所述的线性调整器，其特征在于，所述第二晶体管的导通阈值电压具有负温度特性。

9.一种电源装置，用于提供供电电压，其特征在于，所述电源装置包括：

如权利要求1-8中任一项所述的线性调整器，所述线性调整器用于实现所述供电电压的稳定输出。

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