CN114578892B - 一种线性稳压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性稳压电路,涉及集成电路技术领域,包括第一偏置电路、第二偏置电路、主偏置生成电路和第一电压输出电路;第一分支电路上串设有第一开关管和第二开关管,第一开关管连接第一偏置电路;第二开关管的控制端输入偏置电压;第二分支电路上串设有第三开关管、第四开关管和第五开关管,第三开关管的控制端连接第一开关管的输出端和第二开关管的输入端;第四开关管的控制端输入电压控制信号;第五开关管的控制端连接第二偏置电路,第四开关管的输入端电压为第一电压输出电路的输出电压,线性稳压电路有效地提高了输出电压的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,特别涉及一种线性稳压电路。
背景技术
为了减小芯片面积和实现特定的功能,同时使用不同耐压的器件已经成为十分常见的芯片电路设计手法,如在IGBT驱动电路中,混合使用高压器件低压器件已经成为常态,为了保证低压器件工作在合适的电压范围,需采用片内集成稳压电路,低压器件多用于芯片内部的数字逻辑电路,而数字逻辑电路在工作时,反相器等逻辑器件在切换状态时会产生瞬间的大电流,造成高频噪声,为了让电源的输出值在高频噪声的影响下也能保持较好稳定性,稳压电源必须具有较强的瞬态响应能力,同时,也有部分模拟电路也需要由稳压电源进行供电,但来自数字电路的高频噪声会影响模拟电路的稳定性,因此,为了避免噪声窜扰,在进行片内稳压电路设计时,即使输出同样的电压,也经常会采用多个独立功率MOS管进行多路电源输出的结构,分别对不同的电路单独供电。
目前,常用的稳压电路主要有两种,一种是如图1所示的稳压电路,通过齐纳二极管产生电压,并用源跟随器连接的NMOS管进行输出,该设计没有负反馈结构,因此受工艺的偏差影响较大,且输出容易受负载的波动影响,输出的电压不稳定。
另一种是如图2所示的稳压电路,使用误差放大器比较反馈电压和参考电压,对作为输出管的MOS管进行控制,从而抑制输出电压的波动,该设计无法通过一个误差放大器同时控制多个输出管,必须单独设置负反馈环路,因此在进行多路输出时,需要多个独立的误差放大器,占用面积较大,且每个误差放大器都需要供电,导致电路的静态功耗较高。
发明内容
基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种片内线性稳压电路,以解决现有稳压电路输出电压不稳定的问题。
基于上述目的,一种片内线性稳压电路,包括:
第一偏置电路,用于生成第一偏置电流;
第二偏置电路,用于生成第二偏置电流;
第一电压输出电路,所述第一电压输出电路包括第一分支电路和第二分支电路;
所述第一分支电路上串设有第一开关管和第二开关管,所述第一开关管用于连接第一偏置电路,以镜像所述第一偏置电流;所述第二开关管的控制端用于输入预设的偏置电压;
所述第二分支电路上串设有第三开关管、第四开关管和第五开关管,第三开关管的控制端连接所述第一开关管的输出端和所述第二开关管的输入端;第四开关管的控制端用于输入电压控制信号;第五开关管的控制端用于连接所述第二偏置电路,以镜像所述第二偏置电流;所述第四开关管的输入端电压为所述第一电压输出电路的输出电压;
主偏置生成电路,用于输出所述电压控制信号。
上述方案具有以下有益效果:
本发明同时实现了电流恒定、输出电压稳定的双重作用,具体的,一方面,通过电流镜设计,以维持电压输出电路的第二分支电路的电流恒定;另一方面,电压输出电路的第二开关管和第四开关管组成折叠误差放大器,形成负反馈,实时检测输出电压的变化,当负载突然波动时,输出电压会被下拉或者上推,为了维持第二分支电路的电流恒定,利用折叠误差放大器上推被下拉的输出电压,或下拉被上推的输出电压,有效提高了线性稳压电路电压输出的稳定性。
可选的,所述主偏置生成电路包括:第三分支电路、第四分支电路和运算放大器;
所述第三分支电路串设有第六开关管和第七开关管,所述第六开关管的控制端连接所述第一偏置电路,以镜像所述第一偏置电流,所述第七开关管的控制端用于输入所述预设的偏置电压;
所述第四分支电路串设有第八开关管、第九开关管和第十开关管,所述第八开关管的控制端连接所述第六开关管的输出端和所述第七开关管的输入端;所述第九开关管的控制端连接所述运算放大器的输出端,所述第九开关管的输出端连接所述第七开关管的输出端,所述第十开关管的控制端连接所述第二偏置电路,以镜像所述第二偏置电流;
所述运算放大器的正输入端用于输入预设的基准电压,所述运算放大器的负输入端用于输入所述第九开关管的输入端的电压反馈信号,所述运算放大器的输出端用于输出所述电压控制信号。
可选的,所述第四分支电路还包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻的一端连接所述第九开关管的输入端,所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端,所述第二电阻的另一端接地;所述运算放大器的负输入端连接于所述第一电阻和所述第二电阻之间。
可选的,所述第一电压输出电路还包括第一电容和第二电容,所述第一电容的一端连接所述第一开关管的输入端,所述第一电容的另一端连接所述第一电压输出电路的输出端;所述第二电容的一端连接所述第五开关管的输出端,所述第二电容的另一端连接所述第一电压输出电路的输出端。
可选的,所述第一偏置电路上串设有第十一开关管和第一偏置电流源,所述第十一开关管与所述第一开关管形成第一电流镜;所述第十一开关管与所述第六开关管形成第二电流镜。
可选的,所述第十一开关管为P型开关管,所述第十一开关管的输入端连接输入电源,所述第十一开关管的输出端连接所述第一偏置电流源的输入端,所述第一偏置电流源的输出端接地,所述第十一开关管的输出端与所述第十一开关管的控制端相连。
可选的,所述第二偏置电路上串设有第二偏置电流源和第十二开关管,所述第十二开关管与所述第五开关管形成第三电流镜;所述第十二开关管与所述第十开关管形成第四电流镜。
可选的,所述第十二开关管为N型开关管,所述第二偏置电流源的输出端连接所述第十二开关管的输入端,所述第十二开关管的输出端接地,所述第十二开关管的输入端与所述第十二开关管的控制端相连。
可选的,所述线性稳压电路还包括N个电压输出电路,分别为第一电压输出电路、第二电压输出电路、…、第N电压输出电路,N≥2,各个电压输出电路结构相同,所述第二电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式,…,第N电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式,和所述第一电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式相同。
可选的,所述第一电压输出电路的第一分支电路上串设有第一电阻,所述第一电阻的一端连接输入电源,所述第一电阻的另一端连接所述第一开关管的输入端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的一种稳压电路原理图;
图2是现有技术的一种稳压电路原理图;
图3是本发明一实施例中提供的一种线性稳压电路结构图;
图4是本发明一实施例中提供的一种线性稳压电路结构图;
图5是本发明一实施例中提供的一种线性稳压电路原理图;
图6是本发明一实施例中提供的一种线性稳压电路原理图;
符号说明如下:
1、第一偏置电路;2、第二偏置电路;3、主偏置生成电路;4、第一电压输出电路;5、第二电压输出电路;31、第一分支电路;32、第二分支电路;41、第三分支电路;42、第四分支电路;IBIAS1、第一偏置电流源;IBIAS2、第二偏置电流源;VBIAS、偏置电压;VREF、基准电压;Ip1、第一偏置电流;In2、第二偏置电流;Ip3、第三偏置电流;In4、第四偏置电流;VIN、输入电源;VOUT、输出电压。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
在一实施例中,提供一种如图3所示的线性稳压电路结构,包括:
第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4,第一电压输出电路4包括第一分支电路31和第二分支电路32。
第一偏置电路1用于生成第一主偏置电流,第二偏置电路2用于生成第二主偏置电流,主偏置生成电路3用于输出电压控制信号。
第一分支电路31上依次串联有第一开关管P1和第二开关管N2,第一开关管为P型MOS管,第二开关管为N型MOS管;第一开关管P1的输入端连接输入电源VIN,第一开关管P1的控制端连接第一偏置电路1的输出端,和第一偏置电路1构成电流镜结构,以镜像生成第一偏置电流Ip1;第二开关管N2的控制端输入预设的偏置电压VBIAS,偏置电压VBIAS由外部电路产生,以保证第二开关管N2处于饱和工作区状态。
第二分支电路32上依次串联有第三开关管MP3、第四开关管P4和第五开关管N5,第三开关管MP3的输入端连接输入电源VIN,第三开关管MP3的控制端连接第一开关管P1的输出端和第二开关管N2的输入端;第四开关管P4的控制端输入电压控制信号;第五开关管N5的控制端连接所述第二偏置电路2的输出端,以镜像生成第二偏置电流In2;第四开关管P4的输入端电压为第一电压输出电路4的输出电压VOUT。
针对上述线性稳压电路的稳压原理分析如下:
第二开关管N2和第四开关管P4组成了折叠误差放大器,形成负反馈,从而在输出端负载动态变化时,维持输出电压VOUT稳定,其原理是:
情况一,当负载突然变大时,输出电压VOUT会被往下拉,此时第四开关管P4的栅-源电压VGS的绝对值减小,流经第四开关管P4的电流减小;为了维持第二偏置电流In2,流经第二开关管N2的电流会增大,从而将第三开关管MP3的栅极电压往下拉,将第三开关管MP3的漏极电压即输出电压VOUT往上推,从而使输出电压VOUT保持稳定。
情况二,当负载突然变小时,输出电压VOUT会被往上推,此时流经第四开关管P4的电流会增大,而流经第二开关管N2的电流会减小,使第三开关管MP3的栅极电压上升,将第三开关管MP3的漏极电压即输出电压VOUT往下拉,从而使输出电压VOUT保持稳定。
上述线性稳压电路,在负载波动较大的时候,造成输出电压波动较大,此时,折叠误差放大器上推被下拉的输出电压,或下拉被上推的输出电压,有效地提高了线性稳压电路的输出电压VOUT的稳定性。
在一实施例中,提供一种如图4所示的线性稳压电路,包括:
第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4,第一电压输出电路4包括第一分支电路31和第二分支电路32,其中,第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4与图3中的第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4的连接结构相同。
第一分支电路31还包括第一电阻R1和第一电容C1,第二分支电路32还包括第二电阻R2和第二电容C2,第一电容C1和第二电容C2为无极性电容;第一电阻R1串联于输入电源VIN和第一开关管P1的输入端之间,第一电容C1串联于第一开关管P1的输入端和输出电压VOUT之间;第二电阻R2串联于第五开关管N5的输出端和地之间,第二电容C2串联于第五开关管N5的输出端和输出电压VOUT之间。
从图3中的第一电压输出电路4可知,输出电压VOUT的瞬态响应能力与第一开关管P1的第一偏置电流Ip1和第五开关管N5的第二偏置电流In2有关,为了提高线性稳压电路的瞬态响应能力,需要更高的第一偏置电流Ip1和第二偏置电流In2,从而加大了静态功耗。
本实施例的第一电压输出电路4,在输出电压VOUT下降的瞬间,第五开关管N5的输入端电位受第二电容C2的影响,被一同往下拉,从而在五开关管N5上产生瞬间的动态电流;而第一开关管P1的输入端电位也被往下拉,使第一开关管P1的上电流减小;在这两路电流的作用下,第二开关管N2上的电流变化增大,从而加快了第三开关管MP3的控制端电压下降的速度。同样,在输出电压VOUT上升的瞬间,第五开关管N5的电流会减小,而第一开关管P1上的电流会增大,从而使第三开关管MP3的控制端电压升高的更快。
线性稳压电路处于静态时,第一电容C1和第二电容C2上没有电流通过,不会增加静态电流,因此,本实施例的线性稳压电路加入的第一电容C1和第二电容C2,在不增加静态功耗的前提下,加大了动态电流,从而提升电路的瞬态响应能力。
在一实施例中,提供一种如图5所示线性稳压电路,包括第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4;其中,第一电压输出电路4的结构和图4中第一电压输出电路4的结构相同,下面对第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3的具体结构进行分别阐述:
主偏置生成电路3包括第三分支电路41、第四分支电路42和运算放大器EA;第三分支电路41包括第三电阻R3、第六开关管P6和第七开关管N7;第四分支电路42包括第八开关管MP8、第九开关管P9、第十开关管N10、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。
第六开关管P6和第七开关管N7依次串联于第三分支电路41之中,第六开关管P6的控制端连接第一偏置电路1的输出端,第七开关管N7的控制端输入偏置电压VBIAS,第三电阻R3的一端连接输入电源VIN,另一端连接第六开关管P6的输入端。
第八开关管MP8、第九开关管P9和第十开关管N10依次串联于第四分支电路42中,第八开关管MP8的输入端连接输入电源VIN,第八开关管MP8的控制端连接第六开关管P6的输出端,第九开关管P9的控制端连接运算放大器EA的输出端,第九开关管P9的输出端还连接第七开关管N7的输出端,第十开关管N10的控制端连接第二偏置电路2的输出端,第四电阻R4串设于第十开关管N10的输出端和地之间。
第六电阻R6和第五电阻R5依次串联于第八开关管MP8的输出端和地之间,运算放大器EA的正输入端输入基准电压VREF,运算放大器EA的负输入端连接于第五电阻R5和第六电阻R6之间,以输入第九开关管P9输入端的电压反馈信号,运算放大器EA的输出端还连接第四开关管的控制端,以实现对第九开关管P9和第四开关管P4同时进行控制。
第一偏置电路1包括第七电阻R7、第十一开关管P11和第一偏置电流源IBIAS1,第七电阻R7、第十一开关管P11和第一偏置电流源IBIAS1依次串联于第一偏置电路1中,第七电阻R7的一端连接输入电源,第十一开关管P11的控制端分别与第一偏置电流源IBIAS1的输入端和第六开关管P6的控制端相连。
第二偏置电路2包括第二偏置电流源IBIAS2、第十二开关管N12和第八电阻R8,第二偏置电流源IBIAS2、第十二开关管N12和第八电阻R8依次串联于第二偏置电路2中,第十二开关管N12的控制端和第十二开关管N12的输入端相连,第十二开关管N12的控制端还与第十开关管N10的控制端和第五开关管N5的控制端相连。
对主偏置生成电路3的工作原理分析如下:
第六开关管P6和第三电阻R3作为第一电流镜的输出侧,第六开关管P6的宽长比和第三电阻R3的宽长比的比例为n1,第十一开关管P11的宽长比和第七电阻R7的宽长比的比例也为n1,该比例值n1决定了第三偏置电流Ip3;同样,第十开关管N10和第四电阻R4作为第二电流镜的输出侧,第十开关管N10的宽长比和第四电阻R4的宽长比的比例为n2,第十二开关管N12的宽长比和第八电阻R8的宽长比的比例也为n2,该比例值n2决定了第四偏置电流In4。
本实施例中,开关管可以为MOS管,开关管的输入端对应MOS管的源极,开关管的输出端对应MOS管的漏极,开关管的控制端对应MOS管的栅极;误差放大器EA的正输入端为外部基准电压电路产生的基准电压VREF,VREF可以通过带隙基准电路产生,以保证有较好的温度稳定性;运算放大器EA的负输入端接收来自第五电阻R5和第六电阻R6产生的反馈信号,形成负反馈环路,运算放大器EA的输出端连接第九开关管P9的栅极,以控制第九开关管P9的栅极电压,从而保持第八开关管MP8的漏极输出电压为VREF×(R5+R6)/(R5),此时误差放大器的输出电压,即第九开关管P9的栅极电压为VREF×(R5+R6)/(R5)-VGS_P9,其中,VGS_P9为第九开关管P9的栅-源电压,通过调整第七电阻R7和第三电阻R3的比例,可以调整第八开关管MP8的漏极电压,从而调整运算放大器EA的输出值。
第一电压输出电路4中的第一开关管P1和第一电阻R1与第一偏置电路1构成电流镜结构,第五开关管N5和第二电阻R2与第二偏置电路2构成电流镜结构;第一开关管P1的宽长比与第一电阻R1的宽长比的比例为固定值;第五开关管N5宽长比与第二电阻R2的宽长比的比例为固定值;流经第四开关管P4的电流值和流经第九开关管P9的电流值之比与第四开关管P4和第九开关管P9的宽长比的比值相同;因此,第四开关管P4的栅-源电压和第九开关管P9的栅-源电压相同,也因为第四开关管P4和第九开关管P9的栅极电压相同,输出电压
VOUT= VREF×(R5+R6)/(R5)-VGS_P9+ VGS_P4
= VREF×(R5+R6)/(R5)
其中,VGS_P4为第四开关管P4的栅-源电压。
在一实施例中,本发明提供如图5所示的一种线性稳压电路,该线性稳压电路包括第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4,第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3和第一电压输出电路4的连接方式与图4中第一偏置电路1、第二偏置电路2、主偏置生成电路3的连接方式相同;该线性稳压电路还包括第二电压输出电路5,第二电压输出电路5与上述第一电压输出电路4的结构相同;第二电压输出电路5与第一偏置电路1、第二偏置电路2和主偏置生成电路3的连接方式,与第一电压输出电路4与第一偏置电路1、第二偏置电路2和主偏置生成电路3的连接方式相同。
上述线性稳压电路还包括N个电压输出电路,分别为第一电压输出电路4、第二电压输出电路5、第N电压输出电路,N≥3,各个电压输出电路结构相同,第二电压输出电路5与第一偏置电路1、第二偏置电路2和主偏置生成电路3的连接方式,第N电压输出电路与所述第一偏置电路1、第二偏置电路2和主偏置生成电路3的连接方式,与第一电压输出电路4与第一偏置电路1、第二偏置电路2和主偏置生成电路3的连接方式相同。
对上述电压输出电路进行扩展,构成多路输出的线性稳压电路,由于每路电压输出电路使用不同的功率管进行电压输出,且不同从电路间相连的电位受误差放大器EA控制,有较好的稳定性,从而可以将不同电路间的噪声相互干扰降到最低。
本发明通过主从式电路设计,在线性稳压电路的输出侧使用折叠误差放大器和电容反馈结构,使得本发明的线性稳压电路具有电压输出稳定,静态功耗低,瞬态响应能力强的优点;通过电压输出电路的扩展,实现线性稳压电路多路输出的功能;通过一个运算放大器同时控制多个电压输出电路,有效的减少了电路占用的面积。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种线性稳压电路,其特征在于,包括:
第一偏置电路,用于生成第一偏置电流;
第二偏置电路,用于生成第二偏置电流;
第一电压输出电路,所述第一电压输出电路包括第一分支电路和第二分支电路;所述第一分支电路上串设有第一开关管和第二开关管,所述第一开关管用于连接第一偏置电路,以镜像所述第一偏置电流;所述第二开关管的控制端用于输入预设的偏置电压;
所述第一电压输出电路还包括第一电容和第二电容,所述第一电容的一端连接所述第一开关管的输入端,所述第一电容的另一端连接所述第一电压输出电路的输出端;所述第二电容的一端连接第五开关管的输出端,所述第二电容的另一端连接所述第一电压输出电路的输出端;
所述第二分支电路上串设有第三开关管、第四开关管和第五开关管,所述第三开关管的控制端连接所述第一开关管的输出端和所述第二开关管的输入端;所述第四开关管的控制端用于输入电压控制信号;所述第五开关管的控制端用于连接所述第二偏置电路,以镜像所述第二偏置电流;所述第四开关管的输入端电压为所述第一电压输出电路的输出电压;
主偏置生成电路,用于输出所述电压控制信号。
2.根据权利要求1所述的线性稳压电路,其特征在于,所述主偏置生成电路包括:第三分支电路、第四分支电路和运算放大器;
所述第三分支电路串设有第六开关管和第七开关管,所述第六开关管的控制端连接所述第一偏置电路,以镜像所述第一偏置电流,所述第七开关管的控制端用于输入所述预设的偏置电压;
所述第四分支电路串设有第八开关管、第九开关管和第十开关管,所述第八开关管的控制端连接所述第六开关管的输出端和所述第七开关管的输入端;所述第九开关管的控制端连接所述运算放大器的输出端,所述第九开关管的输出端连接所述第七开关管的输出端,所述第十开关管的控制端连接所述第二偏置电路,以镜像所述第二偏置电流;
所述运算放大器的正输入端用于输入预设的基准电压,所述运算放大器的负输入端用于输入所述第九开关管的输入端的电压反馈信号,所述运算放大器的输出端用于输出所述电压控制信号。
3.根据权利要求2所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第四分支电路还包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻的一端连接所述第九开关管的输入端,所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端,所述第二电阻的另一端接地;所述运算放大器的负输入端连接于所述第一电阻和所述第二电阻之间。
4.根据权利要求2所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第一偏置电路上串设有第十一开关管和第一偏置电流源,所述第十一开关管与所述第一开关管形成第一电流镜;所述第十一开关管与所述第六开关管形成第二电流镜。
5.根据权利要求4所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第十一开关管为P型开关管,所述第十一开关管的输入端连接输入电源,所述第十一开关管的输出端连接所述第一偏置电流源的输入端,所述第一偏置电流源的输出端接地,所述第十一开关管的输出端与所述第十一开关管的控制端相连。
6.根据权利要求2所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第二偏置电路上串设有第二偏置电流源和第十二开关管,所述第十二开关管与所述第五开关管形成第三电流镜;所述第十二开关管与所述第十开关管形成第四电流镜。
7.根据权利要求6所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第十二开关管为N型开关管,所述第二偏置电流源的输出端连接所述第十二开关管的输入端,所述第十二开关管的输出端接地,所述第十二开关管的输入端与所述第十二开关管的控制端相连。
8.根据权利要求1所述的线性稳压电路,其特征在于,所述线性稳压电路还包括N个电压输出电路,分别为第一电压输出电路、第二电压输出电路、…、第N电压输出电路,N≥2,各个电压输出电路结构相同,所述第二电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式,…,第N电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式,和所述第一电压输出电路与所述第一偏置电路、所述第二偏置电路和所述主偏置生成电路的连接方式相同。
9.根据权利要求1和8任一项所述的线性稳压电路,其特征在于,所述第一电压输出电路的第一分支电路上串设有第一电阻,所述第一电阻的一端连接输入电源,所述第一电阻的另一端连接所述第一开关管的输入端。
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