CN115469706A - 一种低压差稳压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低压差稳压器，该低压差稳压器包括第一带隙基准源电路、误差放大器、P型传输管、电阻RF1、电阻RF2、电容C0；第一带隙基准源电路，用于产生与温度无关的基准电压信号，电压信号连接至误差放大器的负输入端，误差放大器的输出端连接P型传输管的栅极；误差放大器的供电端和P型传输管的源端、衬底均连接至电源VDD，P型传输管的漏端同时连接电阻RF1和电容C0的一端，电阻RF1的另一端连接误差放大器的正输入端和电阻RF2,电阻RF2的另一端和电容C0的另一端接地。
Description
技术领域
本发明涉及一种低压差稳压器，尤其是一种可工作在深低温的低压差稳压器，适用于需要工作在深低温环境下(4.2K-77K)，并兼顾更高温度(77K～300K)使用的低压差稳压器件，实现片内低噪声低温度漂移的电压源。属于集成电路器件领域。
背景技术
随着量子计算、高能物理、空间天文观测等科学活动的开展，需要某些集成电路器件在深低温环境下(4.2K-77K)进行工作。如太空望远镜系统中的红外图像传感器，为了降低其暗电流水平，需要降温至液氮温度(77K)乃至液氦温度(4.2K)附近，因此也要求与之匹配的读出电路也能够在该温度下正常工作。现代商业集成电路器件所适用的最大工作温度范围通常为-55℃-125℃(约218K-398K)，远远无法满足上述要求，特别是低压差稳压器器件，大多数该类器件在低温下均会表现出不同程度的输出电压偏离甚至失效。如太空望远镜红外图像传感器成像电路系统中，为了避免低温下低压差稳压器失效，会采用长线供电的方式，将其放置在常温区。这会带来不少问题，如长线传输导致的电源等效内阻增大；通过空间耦合等方式引入额外噪声；以及多种类型供电情况下多条供电线路产生的额外漏热加剧制冷机负担等。
传统的低压差稳压器电路结构如图1所示。图中1所示带隙基准源核心采用基于双极型晶体管的电路结构。采用双极型晶体管构建带隙基准源核心的好处是相比较CMOS晶体管，其对电源波动更加不敏感，也即能实现更高的电源抑制比。而误差放大器所采用的如折叠共源共栅放大器结构，其开环增益主要是由输入级跨导gm以及最后一级输出阻抗ro决定，采用大宽长比的输入级能够在获得尽可能大的开环增益的情况下，同时降低误差放大器的输出电压噪声。
这种传统结构的低压差稳压器在进入低温环境后会面临以下问题：
(a)、双极型晶体管，特别是基于标准CMOS工艺的寄生双极型晶体管会由于基极电阻显著增大和β值减小，寄生结构的双极型晶体管的基极-发射极不再呈现接近理想的PN结特性，最终在深低温环境下导致电路彻底失效；
(b)、CMOS晶体管的跨导gm会随着温度发生变化，特别是在深低温下，目前可从工艺厂获得的集约模型参数已无参考价值，这导致误差放大器的开环增益设计将不可预测。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低压差稳压器，该低压差稳压器能够工作在低温乃至深低温下。
本发明解决技术的方案是：一种低压差稳压器，该低压差稳压器包括第一带隙基准源电路、误差放大器、P型传输管、电阻RF1、电阻RF2、电容C0；
第一带隙基准源电路，用于产生与温度无关的基准电压信号，电压信号连接至误差放大器的负输入端，误差放大器的输出端连接P型传输管的栅极；误差放大器的供电端和P型传输管的源端、衬底均连接至电源VDD，P型传输管的漏端同时连接电阻RF1和电容C0的一端，电阻RF1的另一端连接误差放大器的正输入端和电阻RF2,电阻RF2的另一端和电容C0的另一端接地。
优选地，所述第一带隙基准源电路包括P型CMOS晶体管D1、D2、D3、M5、M6、M7、M8、M9、M10，N型CMOS管M1、M2、M3、M4，电阻R1、R2，其中：
晶体管D1、D2、D3的衬底、栅极、漏极均连接到地，D1的源极连接到晶体管M1的源极；晶体管D2的源极连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到晶体管M2的源极；晶体管M1的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M2的栅极；晶体管M3的源极同晶体管M1的漏极相连；晶体管M3的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M4的栅极；晶体管M4的源极连接到晶体管M2的漏极；晶体管M5的漏极连接到晶体管M3的漏极，晶体管M5的栅极又同晶体管M6的栅极和漏极同时互连；晶体管M6的漏极同晶体管M4的漏极相连；晶体管M7的漏极同晶体管M5的源极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M8的栅极、漏极同晶体管M7的栅极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M5的栅极同晶体管M10的栅极相连，晶体管M7的栅极同晶体管M9的栅极相连；晶体管M9的源极同电源VDD相连，漏极同晶体管M10的源极相连；晶体管M10的漏极同电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端同晶体管D3的源极相连，晶体管D3的源极为第一带隙基准源电路的输出端，该输出端电压为与温度无关的基准电压信号。
优选地，反馈环路的RF1和RF2电阻为非硅化poly电阻。
优选地，所述误差放大器输入级电路包括PMOS晶体管M11、M12、M13和M14；
晶体管M13的栅极连接误差放大器正输入端Vi+，漏极连接晶体管M11的漏极和栅极，并作为误差放大器输入级电路的负相输出端Vo-；晶体管M11的源极同晶体管M12的源极均连接到电源VDD；晶体管M12的栅极同漏极相连，并连接到晶体管M14的漏极，并作为作为误差放大器输入级电路的正相输出端Vo+；晶体管M14的栅极连接到误差放大器负输入端Vi-；晶体管M13、M14的源极均链接到电流源Ib的一端，电流源Ib的另一端接地。
优选地，晶体管M11和M12、M13和M14的宽长比相同。
优选地，上述低压差稳压器还包括片内温度传感器、基准温度电压源、温度阈值电压滞回比较器、切换开关组，第二带隙基准源电路；
片内温度传感器的输出端连接至温度阈值电压滞回比较器的第一输入端，基准温度电压源的输出端连接温度阈值电压滞回比较器的第二输入端，温度阈值电压滞回比较器的输出端连接切换开关组的控制端，第一带隙基准源电路、第二带隙基准源电路分别连接切换开关组的两个输入端，切换开关组的输出端连接误差放大器的负输入端；
温度传感器测量得到的芯片环境温度电压与基准温度电压源所产生的温度阈值电压进行比较，当温度传感器输出电压超过预设温度阈值电压时，通过开关切换将第一带隙基准源电路的输出连接到误差放大器；反之，通过开关切换第二带隙基准源电路的输出连接到误差放大器。
优选地，所述基准温度电压源包括电阻R3、R4；
电阻R3的一端连接电源VDD，另一端连接电阻R4，电阻R4的另一端接地，电阻R3与电阻R4之间的电压为预设温度阈值电压。
优选地，所述预设温度阈值电压应小于温度传感器在77K温度时所输出的电压值。
优选地，所述第二带隙基准源电路为可工作于常温的基于双极型晶体管的带隙基准源电路。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明提出了一种可在深低温环境下工作的低压差稳压器架构，可用于未来太空望远镜红外图像传感器电路的设计中。此外也可用于其它应用领域的需要低温电路设计的红外图像传感器遥感载荷。
(2)、本发明通过采用动态阈值CMOS晶体管代替传统双极型晶体管构成带隙基准源电路核心，实现了可在深低温下工作的性能，同时避免了采用普通CMOS晶体管连接方式构成带隙基准源电路核心产生的电源抑制比低的问题。
(3)、本发明通过一种开环增益与输入晶体管跨导gm无关的误差放大器输入级电路，避免了深低温下误差放大器开环增益变化过大的问题。
附图说明
图1为传统的低压差稳压器电路结构；
图2为本发明实施例基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路形式；
图3为本发明实施例双带隙基准源及其切换电路结构；
图4为本发明实施例增益与CMOS晶体管跨导无关的输入级电路；
图5为本发明实施例可工作在深低温的低压差稳压器电路整体结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明描述了一种可在深低温环境下工作的低压差稳压器。针对基于双极型晶体管在深低温下的实效问题，一种可行的替代方案是采用P型CMOS晶体管，但P型CMOS晶体管构成带隙基准源核心的抗电源波动能力较差，因此本发明采用了动态阈值P型CMOS晶体管，其同普通P型CMOS晶体管最大的区别是衬底连接方式上。动态阈值P型CMOS晶体管的衬底连接到地，在性能表现上会获得更优的亚阈值斜率参数。这样构成的带隙基准源能够在深低温下获得同传统带隙基准源接近的性能。
如图5所示，本发明所提供的可在深低温环境下工作的低压差稳压器包括第一带隙基准源电路7、误差放大器2、P型传输管、电阻RF1、电阻RF2、电容C0；
第一带隙基准源电路7，用于产生与温度无关的基准电压信号，电压信号连接至误差放大器2的负输入端，误差放大器2的输出端连接P型传输管的栅极；误差放大器2的供电端和P型传输管的源端、衬底均连接至电源VDD，P型传输管的漏端同时连接电阻RF1和电容C0的一端，电阻RF1的另一端连接误差放大器的正输入端和电阻RF2,电阻RF2的另一端和电容C0的另一端接地；
基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路如图2所示。所述第一带隙基准源电路7包括P型CMOS晶体管D1、D2、D3、M5、M6、M7、M8、M9、M10，N型CMOS管M1、M2、M3、M4，电阻R1、R2，其中：
晶体管D1、D2、D3的衬底、栅极、漏极均连接到地，D1的源极连接到晶体管M1的源极；晶体管D2的源极连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到晶体管M2的源极；晶体管M1的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M2的栅极；晶体管M3的源极同晶体管M1的漏极相连；晶体管M3的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M4的栅极；晶体管M4的源极连接到晶体管M2的漏极；晶体管M5的漏极连接到晶体管M3的漏极，晶体管M5的栅极又同晶体管M6的栅极和漏极同时互连；晶体管M6的漏极同晶体管M4的漏极相连；晶体管M7的漏极同晶体管M5的源极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M8的栅极、漏极同晶体管M7的栅极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M5的栅极同晶体管M10的栅极相连，晶体管M7的栅极同晶体管M9的栅极相连；晶体管M9的源极同电源VDD相连，漏极同晶体管M10的源极相连；晶体管M10的漏极同电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端同晶体管D3的源极相连，晶体管D3的源极为第一带隙基准源电路7的输出端，该输出端电压为与温度无关的基准电压信号。
优选地，反馈环路的RF1和RF2电阻为非硅化poly电阻。
上述基于动态阈值CMOS晶体管实现的带隙核心电路中，D1和D2晶体管、R1电阻和M1-M8反馈结构构成的正温度系数电流，在经过M9和M10晶体管构成的电流镜后，由R2和D3晶体管构成的负温度系数项补偿，最终在Vref电压输出端形成了一个与温度无关的基准电压信号。其中，通过调整D2晶体管和D3晶体管的并联数量m和n，可以改变流经R2的电流，进而改变输出电压并调整零温度系数点。D2和D3晶体管并联数量调整方式同传统基于双极型晶体管带隙核心电路原理相同。D1、D2和D3晶体管为普通P型CMOS晶体管，但其衬底并未按照常规方式接VDD，而是采用了接GND的连接方式。CMOS晶体管本身在深低温下不会发生双极型晶体管的实效问题，但其二极管连接形式下对电源波动的抑制能力比双极型晶体管差很多，直接表现在亚阈值斜率这个参数上。本发明所采用的P型CMOS晶体管的衬底连接方式，能够获得接近双极性晶体管的亚阈值斜率参数，因而在深低温下应用时，能够在避免失效的同时，获得接近传统双极型晶体管带隙核心的性能。
此外，对于误差放大器的设计，为了避免输入CMOS晶体管跨导gm随温度变化引起的开环增益波动，本发明还提出了一种新的误差放大器输入级电路的连接形式，也即采用增益与CMOS晶体管跨导无关的输入级电路。负载电流镜采用二极管连接方式能够将输入级电路的输出电阻配置为1/gm，这样总的开环增益将同温度无关。
增益与CMOS晶体管跨导无关的误差放大器输入级电路，如图3所示。所述误差放大器输入级电路包括PMOS晶体管M11、M12、M13和M14；
晶体管M13的栅极连接误差放大器正输入端Vi+，漏极连接晶体管M11的漏极和栅极，并作为误差放大器输入级电路的负相输出端Vo-；晶体管M11的源极同晶体管M12的源极均连接到电源VDD；晶体管M12的栅极同漏极相连，并连接到晶体管M14的漏极，并作为作为误差放大器输入级电路的正相输出端Vo+；晶体管M14的栅极连接到误差放大器负输入端Vi-；晶体管M13、M14的源极均链接到电流源Ib的一端，电流源Ib的另一端接地。
优选地，晶体管M11和M12、M13和M14的宽长比相同。
图4中M11和M12为PMOS晶体管采用了二极管连接形式构成负载。假设M11和M12、M13和M14的参数一致，由于二极管负载形式的输出电阻跨导为1/gm，因此此输入级电路的开环增益为M13和M14同负载M11和M12的跨导比值。由于上述晶体管跨导随温度一期变化，因此开环增益为一同温度无关的值。
最后，为了兼顾高温(一般认为大于77K)和深低温(小于77K)下的器件性能，本发明采用了一种温度监测切换带隙基准源的方案。该方案通过一个负温度系数电压输出的温度传感器同电阻分压预设的温度阈值电压进行比较，当温度传感器输出电压超过预设温度阈值电压时(如环境温度小于77K)则通过开关切换将可工作在深低温下的基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路导通，并连接到误差放大器。反之，则将切换到传统带隙基准源电路。
最终，本发明所述方法构成的可工作在深低温的低压差稳压器电路整体结构如图5所示。上述可工作在深低温的低压差稳压器，还包括片内温度传感器3、基准温度电压源4、温度阈值电压滞回比较器5、切换开关组6，第二带隙基准源电路8；
片内温度传感器3的输出端连接至温度阈值电压滞回比较器5的第一输入端，基准温度电压源4的输出端连接温度阈值电压滞回比较器5的第二输入端，温度阈值电压滞回比较器5的输出端连接切换开关组6的控制端，第一带隙基准源电路7、第二带隙基准源电路8分别连接切换开关组6的两个输入端，切换开关组6的输出端连接误差放大器2的负输入端；
温度传感器测量得到的芯片环境温度电压与基准温度电压源4所产生的温度阈值电压进行比较，当温度传感器输出电压超过预设温度阈值电压时，通过开关切换将第一带隙基准源电路的输出连接到误差放大器；反之，通过开关切换第二带隙基准源电路的输出连接到误差放大器。
所述基准温度电压源4包括电阻R3、R4；
电阻R3的一端连接电源VDD，另一端连接电阻R4，电阻R4的另一端接地，电阻R3与电阻R4之间的电压为预设温度阈值电压。
所述预设温度阈值电压应小于温度传感器在77K温度时所输出的电压值。
所述第二带隙基准源电路为可工作于常温的基于双极型晶体管的带隙基准源电路。
有温度监测功能的带隙基准源切换电路结构如图5所示。采用此方案的优点是能够兼顾常温和低温应用，通过对两种带隙基准源在不同温区的优化，使得其各自保证在所属温区范围内获得尽可能小的温度系数。图中3为片内温度传感器，4为由电阻对VDD电源分压得到的基准温度电压，5为温度阈值电压滞回比较器，6为切换开关组，7为基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路，8为基于传统双极型晶体管带隙核心的带隙基准源电路。3中测温元件可以为测温二极管，最终输出一个测温电压Vtemp；4中R1和R2电阻对VDD电源进行分压，可以通过两者阻值的比值预设温度阈值电压Vth，且该预设电压不受电阻温度漂移影响。反馈环路的RF1和RF2电阻需采用非硅化poly电阻，其它类型电阻，如阱电阻阻值随温度降低会急剧增加，可能导致支路电流过小引起电路失效。5中滞回比较器会对温度传感器输出电压Vtemp和预设温度阈值电压Vth进行比较，当温度降低于某一温度值使得Vtemp>Vth时，滞回比较器会控制6开关，将7基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路连接至误差放大器，反之则将8基于传统双极型晶体管带隙核心的带隙基准源电路连接至误差放大器。
如图3所示电路在不同温度下工作时，两种带隙基准源会根据温度传感器检测到的温度阈值进行切换，即在高温区(一般可设定为大于77K)采用8基于传统双极型晶体管带隙核心的带隙基准源，在低温区(小于77K)采用7基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源。
(a)、基于动态阈值CMOS晶体管的带隙基准源核心电路在深低温低压差稳压器中的连接形式；
(b)、增益与CMOS晶体管跨导无关的输入级电路在深低温低压差稳压器中的连接形式；
(c)、双带隙基准源电路及其切换电路在深低温低压差稳压器中的连接形式连接形式。
综上所述，本发明描述了一种可在深低温环境下工作的新型低压差稳压器，其包括基于动态阈值CMOS晶体管带隙核心的带隙基准源电路、基于传统双极型晶体管带隙核心的带隙基准源电路、有温度监测功能的带隙基准源切换电路、由增益与CMOS晶体管跨导无关的输入级电路构成的误差放大器电路、传输管和反馈环路。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种低压差稳压器，其特征在于包括第一带隙基准源电路(7)、误差放大器(2)、P型传输管、电阻RF1、电阻RF2、电容C0；
第一带隙基准源电路(7)，用于产生与温度无关的基准电压信号，电压信号连接至误差放大器(2)的负输入端，误差放大器(2)的输出端连接P型传输管的栅极；误差放大器(2)的供电端和P型传输管的源端、衬底均连接至电源VDD，P型传输管的漏端同时连接电阻RF1和电容C0的一端，电阻RF1的另一端连接误差放大器的正输入端和电阻RF2,电阻RF2的另一端和电容C0的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种可工作在深低温的低压差稳压器，其特征在于所述第一带隙基准源电路(7)包括P型CMOS晶体管D1、D2、D3、M5、M6、M7、M8、M9、M10，N型CMOS管M1、M2、M3、M4，电阻R1、R2，其中：
晶体管D1、D2、D3的衬底、栅极、漏极均连接到地，D1的源极连接到晶体管M1的源极；晶体管D2的源极连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到晶体管M2的源极；晶体管M1的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M2的栅极；晶体管M3的源极同晶体管M1的漏极相连；晶体管M3的栅极同漏极互连，并连接到晶体管M4的栅极；晶体管M4的源极连接到晶体管M2的漏极；晶体管M5的漏极连接到晶体管M3的漏极，晶体管M5的栅极又同晶体管M6的栅极和漏极同时互连；晶体管M6的漏极同晶体管M4的漏极相连；晶体管M7的漏极同晶体管M5的源极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M8的栅极、漏极同晶体管M7的栅极相连，源极同电源VDD相连；晶体管M5的栅极同晶体管M10的栅极相连，晶体管M7的栅极同晶体管M9的栅极相连；晶体管M9的源极同电源VDD相连，漏极同晶体管M10的源极相连；晶体管M10的漏极同电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端同晶体管D3的源极相连，晶体管D3的源极为第一带隙基准源电路(7)的输出端，该输出端电压为与温度无关的基准电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于反馈环路的RF1和RF2电阻为非硅化poly电阻。
4.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于所述误差放大器输入级电路包括PMOS晶体管M11、M12、M13和M14；
晶体管M13的栅极连接误差放大器正输入端Vi+，漏极连接晶体管M11的漏极和栅极，并作为误差放大器输入级电路的负相输出端Vo-；晶体管M11的源极同晶体管M12的源极均连接到电源VDD；晶体管M12的栅极同漏极相连，并连接到晶体管M14的漏极，并作为作为误差放大器输入级电路的正相输出端Vo+；晶体管M14的栅极连接到误差放大器负输入端Vi-；晶体管M13、M14的源极均链接到电流源Ib的一端，电流源Ib的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于晶体管M11和M12、M13和M14的宽长比相同。
6.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于还包括片内温度传感器(3)、基准温度电压源(4)、温度阈值电压滞回比较器(5)、切换开关组(6)，第二带隙基准源电路(8)；
片内温度传感器(3)的输出端连接至温度阈值电压滞回比较器(5)的第一输入端，基准温度电压源(4)的输出端连接温度阈值电压滞回比较器(5)的第二输入端，温度阈值电压滞回比较器(5)的输出端连接切换开关组(6)的控制端，第一带隙基准源电路(7)、第二带隙基准源电路(8)分别连接切换开关组(6)的两个输入端，切换开关组(6)的输出端连接误差放大器(2)的负输入端；
温度传感器测量得到的芯片环境温度电压与基准温度电压源(4)所产生的温度阈值电压进行比较，当温度传感器输出电压超过预设温度阈值电压时，通过开关切换将第一带隙基准源电路的输出连接到误差放大器；反之，通过开关切换第二带隙基准源电路的输出连接到误差放大器。
7.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于所述基准温度电压源(4)包括电阻R3、R4；
电阻R3的一端连接电源VDD，另一端连接电阻R4，电阻R4的另一端接地，电阻R3与电阻R4之间的电压为预设温度阈值电压。
8.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于所述预设温度阈值电压应小于温度传感器在77K温度时所输出的电压值。
9.根据权利要求1所述的一种低压差稳压器，其特征在于所述第二带隙基准源电路为可工作于常温的基于双极型晶体管的带隙基准源电路。
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