CN207965721U - 一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器 - Google Patents

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蔡水河
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Abstract

本实用新型涉及一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器，包括：跟随阈值电压变化的基准电压、由放大器构成的缓冲器、补偿电容；基准电压做为缓冲器的输入端，缓冲器输出电压和基准电压一致，具有电流驱动能力，补偿电容用来减少电流负载变化时输出电压的波动范围。基准电压包括两个工作在亚阈值区的MOS栅源电压，参考电压Vref满足关系式：Vref∝β(|VGS1|+VGS2)；参考电压Vref经过由放大器组成的输出缓冲器后，给数字电路提供电压。采用MOS的阈值电压相关的基准，当工艺条件和环境温度发生变化时，基准电压也跟随发生变化，从而线性稳压器的输出可以反应这种条件的变化，降低数字电路的工作电源电压，功耗也随之大幅度降低。

Description

一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器
技术领域
本实用新型涉及电压管理技术领域，更具体地说，涉及一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器。
背景技术
在现在的芯片设计中，通常需要多个电压域，数字电路、模拟电路及外部接口电路的电压都不同，给这些电路提供电源的一种有效方式是线性电压管理器，目前通用的线性电压管理器如专利电流沉负载电路及低压差线性电压管理器(CN106200741A)图1所示，由带隙基准源、误差放大器、功率管、采样电路组成。此类电压管理器的一个重要特点是保持输出电压在各种条件下的稳定性。基准电压采用的带隙基准源，保证参考电压在各种条件下的变化很小，从而线性稳压器的电压保持稳定。在实际应用中，如高温条件下，MOS管的阈值电压降低，实际电路需要的工作电源可以降低。但由于稳压器的输出恒定，导致芯片的漏电流加大。
数字电路的功耗由三部分组成：电路开关的动态功耗、短路电流、静态漏电流，减少这三种电流的一种有效方式是降低电源电压。传统的线性稳压器电路为了保证芯片在各种工艺条件下都能工作，设定电压以最坏情况下需要的最低工作电压为门限，这样导致数字电路的电源电压偏高，功耗增加。
因此，现有技术亟待有很大的进步。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器，包括：跟随阈值电压变化的基准电压、由放大器构成的缓冲器、补偿电容，所述基准电压做为所述缓冲器的输入端，第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极电连接且均与放大器的同相输入端连接，第一MOS管的源级极与第二MOS管的源极电连接，放大器的反相输入端同时与放大器的输出端和补偿电容电连接，所述缓冲器输出电压和基准电压一致，具有电流驱动能力，所述补偿电容用来减少电流负载变化时输出电压的波动范围，所述基准电压包括两个工作在亚阈值区的MOS栅源电压，参考电压Vref满足关系式：
Vref∝β(|VGS1|+VGS2)；所述参考电压Vref经过由放大器组成的输出缓冲器后，给数字电路提供电压。
实施本实用新型的用于低功耗数字电路的线性电压管理器，具有以下有益效果：采用MOS的阈值电压相关的基准，当工艺条件和环境温度发生变化时，基准电压也跟随发生变化，从而线性稳压器的输出可以反应这种条件的变化，降低数字电路的工作电源电压，功耗也随之大幅度降低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是传统的线性电压管理器的电路原理图。
图2本实用新型用于低功耗数字电路的线性电压管理器的线性稳压器电路原理图。
图3是采用传统线性电压管理器的数字电路在125C下的漏电流。
图4是采用本发明的电压管理器的数字电路在125C下的漏电流。
具体实施方式
请参阅图1，为传统的线性电压管理器的电路原理图。以40nmCMOS工艺为例，按照传统的线性电压管理器设计，核心器件的标准电压为1.1V。
请参阅图2，为本实用新型用于低功耗数字电路的线性电压管理器的第一实施例的模块示意图。如图2所示，在本实用新型第一实施例提供的用于低功耗数字电路的线性电压管理器中，至少包括，跟随阈值电压变化的基准电压、由放大器构成的缓冲器、补偿电容。第一MOS管的栅极与第二 MOS管的栅极电连接且均与放大器的同相输入端连接，第一MOS管的源级极与第二MOS管的源极电连接，放大器的反相输入端同时与放大器的输出端和补偿电容电连接。基准电压由两个工作在亚阈值区的MOS栅源电压VGS构成。参考电压Vref满足下面的关系式为：Vref∝β(|VGS1|+VGS2)，其中VGS1为第一工作在亚阈值区的MOS栅源电压，VGS2为第二工作在亚阈值区的MOS栅源电压。参考电压Vref经过由放大器组成的输出缓冲器后，给数字电路提供电压，因此，线性电压管理器的输出电压Vout同样跟随阈值电压的变化。
以40nmCMOS工艺为例，核心器件的标准电压为1.1V。为了尽可能地降低数字电路的功耗，采用低于标准电压的电源电压。当工艺角处于SS且温度为-40℃时，本发明的输出电压Vout最大1.05V。
当工艺角和温度发生变化时，如FF【fast fast快速】、125℃时，传统的线性电压管理器设计依然为1.1V；本发明由于跟踪了阈值电压的变化，其输出电压为0.62V，相比传统结构明显降低。采用1000个倒相器进行了对比仿真。
图3是采用传统线性电压管理器的数字电路在125C下的漏电流。图4 是采用本发明的电压管理器的数字电路在125C下的漏电流。从图中可以看出，本发明的电路漏电流仅为传统结构的1/3，采用本发明的电压管理器，可以明显降低数字电路的漏电流。
对于数字电路的动态功耗来说，其大小正比于电源电压的平方。传统线性电压管理器输出的是恒定的电压，其大小必须满足最坏情况下的电压，动态功耗相对稳定。本发明的电压管理器的电压输出是动态变化的，除了在最坏情况下和传统结构一致外，其他条件下的动态功耗都相对较小。
本发明实现的是采用MOS的阈值电压相关的基准，当工艺条件和环境温度发生变化时，基准电压也跟随发生变化，从而线性稳压器的输出可以反应这种条件的变化，降低数字电路的工作电源电压，功耗也随之大幅度降低。
为了降低MOS管的漏电流，需要电源电压随工作环境的变化动态调整，因此采用了随阈值电压变化的基准。由于基准跟随了阈值电压的变化，就可以保证数字电路正常工作的情况下，尽可能地降低电源电压，从降低MOS 管的漏电流。
本实用新型通过以上实施例的设计，可以做到采用MOS的阈值电压相关的基准，当工艺条件和环境温度发生变化时，基准电压也跟随发生变化，从而线性稳压器的输出可以反应这种条件的变化，降低数字电路的工作电源电压，功耗也随之大幅度降低。
本实用新型是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本实用新型范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本实用新型技术的特定场合，可对本实用新型进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本实用新型并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (1)

1.一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器，其特征在于，包括：工作电源、跟随阈值电压变化的基准电压、由放大器构成的缓冲器、补偿电容，所述电源放出参考电压Vref，所述基准电压做为所述缓冲器的输入端，第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极电连接且均与放大器的同相输入端连接，第一MOS管的源级极与第二MOS管的源极电连接，放大器的反相输入端同时与放大器的输出端和补偿电容电连接，所述缓冲器输出电压和基准电压一致，具有电流驱动能力，所述补偿电容用来减少电流负载变化时输出电压的波动范围，所述基准电压包括两个工作在亚阈值区的MOS栅源电压，
所述参考电压Vref经过由放大器组成的输出缓冲器后，给数字电路提供电压。
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CN107678480A (zh) * 2017-11-13 2018-02-09 常州欣盛微结构电子有限公司 一种用于低功耗数字电路的线性电压管理器
CN113889024A (zh) * 2020-06-16 2022-01-04 联咏科技股份有限公司 源极驱动器及其驱动电路

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