CN114115425B - 一种基准和运放合二为一的线性稳压器 - Google Patents
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Abstract
一种基准和运放合二为一的线性稳压器，通过引入耗尽管，采用耗尽管基准既作为基准，又作为运放的第一级，从而实现运放和基准合二为一，不需要启动电路，电路及其简易，在实现线性稳压器电路性能的基础上，由于采用耗尽基准既做基准又做运放第一级，还可以明显改善低功耗应用的静态功耗，从而实现性能和成本的最佳结合。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及用于电源管理的线性稳压器，为一种基准和运放合二为一的线性稳压器。
背景技术
随着便携式电子产品的广泛使用于工作和生活的各个方面，其对供电电源的性能提出了更高的要求，尤其是系统的低功耗性能。传统的线性稳压器可以提供优良的抗电源干扰能力，被广泛应用于电路设计中，如图1所示，由于该架构中必须同时包含基准电路和运放电路，所以这种结构通常会带来其他问题，例如因为基准和运放电路都需要消耗电流，导致静态功耗偏大，这会限制电池的使用寿命，降低便携式设备的工作时间。在美国专利US6144250中，采用三极管工艺设计了一种带隙基准和运放二合一的结构，如图2所示，但由于该方案采用带隙基准结构，电路结构复杂，并且必须引入启动电路，因此整体电路的静态功耗和成本都有一定劣势。
发明内容
本发明要解决的问题是：线性稳压器的电路结构同时包含基准电路和运放电路，存在静态功耗偏大的问题，现有提出的基准和运放二合一电路结构复杂，整体上仍然存在静态功耗问题，且提高了电路成本。
本发明的技术方案为：一种基准和运放合二为一的低压线性稳压器，包括耗尽型NMOS场效应管ND1、增强型NMOS场效应管NE1和NE2、增强型PMOS场效应管P1和P2、反馈电阻R1和R2、限流电阻R3、栅极上拉电阻R4、补偿电阻Rc、前馈电容CFB和补偿电容Cc，采用耗尽管基准既作为线性稳压器的基准VREF，又作为运放的第一级，实现运放和基准合二为一，电路如下：耗尽管ND1的漏极接输入电源端VCC，栅极和源极以及衬底相接，并一起连接至增强管NE1的漏极、增强管NE2的栅极、以及补偿电阻Rc的一端，增强管NE1的源极和衬底相接后一起连至地电位，补偿电阻Rc通过补偿电容Cc接至地电位，增强管NE2的源极和衬底相接并一起连接至地电位，NE2的漏极接至增强管P2的漏极和栅极以及增强管P1的栅极，并通过电阻R4接VCC，增强管P2的源极和衬底相接后经电阻R3连接至VCC，增强管P1的源极和衬底相接，连接至输入电源VCC，P1的漏极接输出电压端VOUT，P1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地，反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，并连接增强管NE1的栅极。
本发明还提供一种基准和运放合二为一的高压线性稳压器，包括高耐压的N型JFET管NJFET、耗尽型NMOS场效应管ND1、增强型NMOS场效应管NE1和NE2、隔离型高耐压NMOS管HN1、高耐压增强型PMOS场效应管HP1和HP2、反馈电阻R1和R2、限流电阻R3、栅极上拉电阻R4、补偿电阻Rc、前馈电容CFB和补偿电容Cc，采用耗尽管基准既作为线性稳压器的基准VREF，又作为运放的第一级，实现运放和基准合二为一，电路如下：NJFET的漏极接高压电源端VIN，栅极接地，源极接耗尽管ND1的漏极以及HN1的栅极，ND1栅极和源极以及衬底相接，一起连接至增强管NE1的漏极、增强管NE2的栅极，同时经串联的补偿电阻Rc和补偿电容Cc后接地，增强管NE1的源极和衬底相接后接地；增强管NE2的源极和衬底相接后接地，NE2的漏极接至HN1的源衬，HN1的漏极接HP2的栅极和漏极以及增强管HP1的栅极，HP2的源极和衬底相接并通过R3连接VIN，HP1和HP2的栅极通过R4电阻连接VIN，HP1的源极和衬底相接并连接VIN，HP1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地，反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，并连接增强管NE1的栅极。
本发明提出一种基准和运放合二为一的线性稳压器，包括图4所示的低压线性稳压器和图5所示的高压稳压器，都是采用耗尽管基准既作为基准，又作为运放的第一级，从而实现运放和基准合二为一的效果。不同之处在于，高压稳压器为了承受高压，引入了高压管HP1和HP2代替低压管P1和P2，同时引入NJFET和HN1组成的高压钳位电路，来保护其他的电压器件不受损坏。
传统的线性稳压器电路中，采用单独的基准电路提供基准电压，而运放电路则需要另外的差分输入电路实现。本发明电路设计，将耗尽管基准电路直接用作运放和基准，即图4中ND1和NE1既是耗尽基准，又是运放的第一级。本发明提供新型线性稳压器电路，通过引入耗尽管，将耗尽管基准和运放合二为一，不需要启动电路，电路及其简易，在实现线性稳压器电路性能的基础上，由于采用耗尽基准既做基准又做运放第一级，节省了运放的偏置电流，只消耗基准的偏置电流，可以明显改善低功耗应用的静态功耗，从而实现性能和成本的最佳结合。
附图说明
图1为传统的线性稳压器电路架构。
图2为美国专利US6144250设计的一种基准和运放二合一电路。
图3为现有耗尽型基准电路。
图4为本发明的基准和运放合二为一的低压线性稳压器。
图5为本发明的带预调整电路的低压线性稳压器。
图6为本发明的基准和运放合二为一的高压线性稳压器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施进行说明。
图1为传统的线性稳压器电路架构，包括基准电路VREF，EA为误差放大器，即方法电路，P1为增强型PMOS场效应管，为输出功率管，R1和R2为反馈电阻。
在图3所示的传统的耗尽型基准电路中，ND1为耗尽型NMOS场效应管，NE1为增强型NMOS场效应管，耗尽管ND1栅极和源极相接，并且衬底接至源极，增强管NE1的栅极和漏极相接。通过将耗尽管和增强管串联，并调节ND1和NE1的尺寸比例，从而形成零温度系数的基准电压Vref。
图4为本发明设计的基准和运放合二为一的低压线性稳压器，ND1为耗尽型NMOS场效应管，NE1和NE2为增强型NMOS场效应管，P1和P2为增强型PMOS场效应管，R1和R2为反馈电阻，R3为限流电阻R3、R4为栅极上拉电阻，Rc为补偿电阻，CFB为前馈电容，Cc为补偿电容。VCC为输入电源，VOUT为输出电压，图4中ND1和NE1既是耗尽基准，又是运放的第一级，NE2、P2是运放的第二级。具体连接关系具体如下。
耗尽管ND1的漏极接输入电源VCC，栅极和源极以及衬底相接，一起连接至增强管NE1的漏极，增强管NE2的栅极，以及补偿电阻Rc的一端。增强管NE1的源极和衬底相接后，一起连至地电位。补偿电阻另一端接至补偿电容Cc的一端。补偿电容Cc的另一端接至地电位。增强管NE2的源极和衬底相接，一起连接至地电位，NE2的漏极接至增强管P2的漏极和栅极，R4电阻的一端以及增强管P1的栅极。增强管P2的源极和衬底相接，连接R3的一端。P2源极串联的R3作为源极负反馈电阻，降低P2的工作电流。R3和R4电阻接VCC。增强管P1的源极和衬底相接，连接至输入电源VCC，P1的漏极接至输出电压VOUT，反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，P1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地。
如图3所示，耗尽管基准中ND1和NE1电流相同，通过调节合适的尺寸比例，实现零温度系数的基准电压Vref。图3中ND1和NE1的尺寸采用零温度系数耗尽管基准的尺寸。在图4中，当反馈节点FB处的电压等于基准电压Vref时，耗尽管ND1和增强管NE1的电流相同，误差放大器是平衡的，此时反馈电压FB为零温度系数。当反馈电压FB大于耗尽基准电压Vref时，误差放大器的平衡被打破，众所周知，增强管NMOS管，源极电压不变，栅极电压上升时，漏极电流增加，因此此时增强管NE1栅极电压增加带来其漏极电流增加，大于耗尽管ND1的电流。从而导致增强管NE1的漏端电压下降，即增强管NE2栅极电压下降，增强管NE2漏极电流减小。由于增强管P2的和增强管NE2串联，因此P2电流减小，同时又由于增强管P2和P1是镜像管，电流成比例，从而P1漏极电流减小，进而造成反馈电阻R2的分压减小，即反馈节点FB处的反馈电压减小，直至反馈电压重新等于基准电压Vref，此时，误差放大器被平衡。同理，当反馈电压小于耗尽基准电压Vref时，增强管NE1栅极电压减小带来其漏极电流减小，小于耗尽管ND1的电流，从而导致增强管NE1的漏端电压上升，即增强管NE2栅极电压上升，增强管NE2漏极电流增加。由于增强管P2的和增强管NE2串联，因此P2电流增加，同时又由于增强管P2和P1是镜像管，电流成比例，从而P1漏极电流增加，进而造成反馈电阻R2的分压增加，使得反馈电压增加，直至反馈电压重新等于基准电压Vref，此时，误差放大器被平衡。在本发明的线性稳压器应用中，基准和运放合二为一的误差放大器用作低压差电压调节器的控制电路，其能够产生经分压电阻R2和R1调节的输出电压VOUT，该电压和零温度系数的耗尽管基准成比例，因此可以实现在宽的输出电压范围内具有零温度系数。
需要特别说明的是，耗尽管ND1的漏端不局限于直接连接电源VCC，还可以接至预调整电路，例如大尺寸的耗尽管等等，线性稳压器输入电源往往有许多干扰信号存在，电源抑制比PSRR反映了线性稳压器对于这些干扰信号的抑制能力，可以通过预调整电路实现线性稳压器优良的电源抑制特性PSRR。
如图5所示本发明的带预调整电路的低压线性稳压器，在图4基础上，引入大尺寸耗尽管ND2，插入到ND1和VCC电压之间。其中ND2的栅极和源极相接，连接ND1的漏极，衬底端接地，ND2的漏极接VCC电位。ND1尺寸固定的基础上，通过ND2的尺寸设置，可以实现ND2源极电压稳定在低于VCC的固定值，从而实现对ND1漏极电压预调整的作用。
作为本发明的另一种实施，在图6本发明的基准和运放合二为一的高压线性稳压器中，NJFET为高耐压的N型JFET管，ND1为耗尽型NMOS场效应管，NE1和NE2为增强型NMOS场效应管，HN1为隔离型高耐压NMOS管，HP1和HP2为高耐压增强型PMOS场效应管，R1和R2为反馈电阻，R3为限流电阻R3、R4为栅极上拉电阻，Rc为补偿电阻，CFB为前馈电容，Cc为补偿电容。VIN为输入电源，VOUT为输出电压，采用耗尽管基准既作为线性稳压器的基准VREF，又作为运放的第一级，实现运放和基准合二为一。具体电路连接关系具体如下。
NJFET的漏极接高压VIN，栅极接地，源极接耗尽管ND1的漏极以及HN1的栅极。ND1的栅极和源极以及衬底相接，一起连接至增强管NE1的漏极和增强管NE2的栅极，以及补偿电阻Rc的一端。增强管NE1的源极和衬底相接后，一起连至地电位。补偿电阻Rc另一端接至补偿电容Cc的一端，补偿电容Cc的另一端接至地电位。增强管NE2的源极和衬底相接，一起连接至地电位，NE2的漏极接至HN1的源极和衬底。HN1的漏极接HP2的栅和漏极、R4电阻的一端以及增强管P1的栅极。HP2的源极和衬底相接，连接R3的一端。R3和R4电阻另一端接VIN。HP1的源极和衬底相接，并连接至输入电源VIN，HP1的漏极接至输出电压端VOUT，并且连至反馈电阻R1和前馈电容CFB的一端。反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，P1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地。
如前所述，耗尽管基准中，ND1和NE1电流相同，通过调节合适的尺寸比例，实现零温度系数的基准电压Vref，ND1和NE1的尺寸采用零温度系数耗尽管基准的尺寸。在图5中，当反馈节点FB处的反馈电压等于基准电压Vref时，耗尽管ND1和增强管NE1的电流相同，误差放大器是平衡的，此时反馈电压FB为零温度系数。当反馈节点FB电压大于耗尽基准电压Vref时，误差放大器的平衡被打破，众所周知，增强管NMOS管，源极电压不变，栅极电压上升时，漏极电流增加，因此此时增强管NE1栅极电压增加带来其漏极电流增加，大于耗尽管ND1的电流。从而导致增强管NE1的漏端电压下降，即增强管NE2栅极电压下降，增强管NE2漏极电流减小。由于HP2的和增强管NE2串联，因此HP2电流减小，同时又由于增强管HP2和HP1是镜像管，电流成比例，从而HP1漏极电流减小，进而造成反馈电阻R2的分压减小，即反馈电压减小，直至反馈电压重新等于基准电压Vref，此时，误差放大器被平衡。同理，当反馈电压小于耗尽基准电压Vref时，增强管NE1栅极电压减小带来其漏极电流减小，小于耗尽管ND1的电流。从而导致增强管NE1的漏端电压上升，即增强管NE2栅极电压上升，增强管NE2漏极电流增加。由于增强管HP2的和增强管NE2串联，因此HP2电流增加。同时又由于增强管HP2和HP1是镜像管，电流成比例，从而HP1漏极电流增加，进而造成反馈电阻R2的分压增加，即反馈电压FB增加，直至反馈电压重新等于基准电压Vref，此时，误差放大器被平衡。在本发明的高压线性稳压器电路设计中，基准和运放合二为一的误差放大器用作低压差电压调节器的控制电路，其能够产生经电阻R2和R1分压调节的输出电压VOUT，该电压和零温度系数的耗尽管基准成比例，因此可以实现在宽的输出电压范围内具有零温度系数。同时，由于NJFET的稳压作用，可以钳位HN1的栅极不会损坏，同时HN1的源极电压也被该电位限制，从而保证NE2不会被高压损坏。因此，该高压线性稳压器可以在保证所有性能的前提下，实现高耐压的可靠性。
Claims (2)
1.一种基准和运放合二为一的低压线性稳压器，其特征是包括耗尽型NMOS场效应管ND1、增强型NMOS场效应管NE1和NE2、增强型PMOS场效应管P1和P2、反馈电阻R1和R2、限流电阻R3、栅极上拉电阻R4、补偿电阻Rc、前馈电容CFB和补偿电容Cc，采用耗尽管基准既作为线性稳压器的基准VREF，又作为运放的第一级，实现运放和基准合二为一，电路如下：耗尽管ND1的漏极接输入电源端VCC，栅极和源极以及衬底相接，并一起连接至增强管NE1的漏极、增强管NE2的栅极、以及补偿电阻Rc的一端，增强管NE1的源极和衬底相接后一起连至地电位，补偿电阻Rc通过补偿电容Cc接至地电位，增强管NE2的源极和衬底相接并一起连接至地电位，NE2的漏极接至增强管P2的漏极和栅极以及增强管P1的栅极，并通过电阻R4接VCC，增强管P2的源极和衬底相接后经电阻R3连接至VCC，增强管P1的源极和衬底相接，连接至输入电源VCC，P1的漏极接输出电压端VOUT，P1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地，反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，并连接增强管NE1的栅极；
其中，耗尽管ND1的漏极还通过预调整电路再连接至电源，所述预调整电路用于实现线性稳压器的电源抑制比PSRR，预调整电路为将大尺寸耗尽管ND2插入到ND1和VCC电压之间，其中ND2的栅极和源极相接，连接ND1的漏极，衬底端接地，ND2的漏极接VCC电位，ND1尺寸固定的基础上，通过ND2的尺寸设置，实现ND2源极电压稳定在低于VCC的固定值，从而实现对ND1漏极电压预调整的作用。
2.一种基准和运放合二为一的高压线性稳压器，其特征是包括高耐压的N型JFET管NJFET、耗尽型NMOS场效应管ND1、增强型NMOS场效应管NE1和NE2、隔离型高耐压NMOS管HN1、高耐压增强型PMOS场效应管HP1和HP2、反馈电阻R1和R2、限流电阻R3、栅极上拉电阻R4、补偿电阻Rc、前馈电容CFB和补偿电容Cc，采用耗尽管基准既作为线性稳压器的基准VREF，又作为运放的第一级，实现运放和基准合二为一，电路如下：NJFET的漏极接高压电源端VIN，栅极接地，源极接耗尽管ND1的漏极以及HN1的栅极，ND1栅极和源极以及衬底相接，一起连接至增强管NE1的漏极及增强管NE2的栅极，同时经串联的补偿电阻Rc和补偿电容Cc后接地，增强管NE1的源极和衬底相接后接地；增强管NE2的源极和衬底相接后接地，NE2的漏极接至HN1的源极和衬底 ，HN1的漏极接HP2的栅极和漏极以及增强管HP1的栅极，HP2的源极和衬底相接并通过R3连接VIN，HP1和HP2的栅极通过R4电阻连接VIN，HP1的源极和衬底相接并连接VIN，HP1的漏极还经反馈电阻R1和R2接地，反馈电阻R1和R2之间为反馈节点FB，前馈电容CFB串联在输出电压端VOUT和反馈节点FB之间，并连接增强管NE1的栅极。
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