JP2012043085A - 電圧レギュレータ回路 - Google Patents

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stage ldo
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裕樹 大久
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Abstract

【課題】動作電圧範囲、入力安定度、PSRR、出力温度係数すべてが満足される電圧レギュレータ回路を提供する。
【解決手段】安定した高精度の電圧を出力する電圧レギュレータの回路であって、1段目のLDO回路と2段目のLDO回路を備え、前記1段目のLDO回路の出力を電源として、前記2段目のLDO回路を動作させ定電圧を発生させ、前記1段目のLDO回路はディプレッションMOS使用回路であり、前記2段目のLDO回路はAMP型BGR回路であることを特徴とする電圧レギュレータ回路。
【選択図】図5

Description

本発明は、安定した高精度の電圧を得る電圧レギュレータの回路に関するものである。
従来からLDO(Low DropOut:低損失)に使用するリファレンス電圧発生回路には、一般的なBGR(Band Gap Reference)回路、AMP型BGR回路、AMP型BGR回路(カスケード型)、ディプレッションMOS使用回路等がある。
上記各回路の長所、短所を表1に示す。表1は、各回路の長所、短所を動作電圧範囲、入力安定度、PSRR(Power Supply Rejection Ratio:電源除去比)、出力温度係数、その他の項目で示したものである。
Figure 2012043085
次に、表1と各回路図を用いて、上記回路の特性を説明する。
一般的なBGR回路を図1に示す。一般的なBGR回路はバンドギャップ部とVREF出力部からなり、基本的なBGR回路の機能であるため入力安定度に優れ、また温度保障が可能であるため出力温度係数に優れ、更にMOSのVTH(電圧閾値)バラツキによる出力電圧のバラツキが小さい。一方、バンドギャップ部はPMOS、NMOSやダイオードの縦積み構成であるために動作電圧範囲が狭く低電圧動作が厳しい、またVREF(リファレンス電圧)出力部ではPMOSで出力電圧を制御しているためVDDの揺れの影響を受けやすくPSRRが小さい。
AMP型BGR回路を図2に示す。AMP型BGR回路は、バンドギャップ部とアンプ部とVREF出力部からなり、バンドギャップ部のPMOS、NMOSやダイオードの縦積み構成であるために動作電圧範囲が広く、一般的なBGR回路の特性により入力安定度に優れ、また温度補償が可能であるため出力温度係数に優れ(出力温度係数が小さく)、更にMOSのVTHバラツキによる出力電圧のバラツキが小さい。一方、VREF出力部ではPMOSで出力電圧を決めるためVDDの揺れの影響を受けやすくPSRRが小さい。
AMP型BGR回路(カスケード型)を図3に示す。AMP型BGR回路(カスケード型)は、バンドギャップ部とアンプ部とVREF出力部からなり、基本的なBGR回路の機能であるため入力安定度に優れ、温度補償が可能であるため出力温度係数に優れて、MOSのVTHバラツキによる出力電圧のバラツキが小さい。またVREF出力部ではカスケード化によってVDDの揺れの影響は小さくなる。一方、バンドギャップ部においてPMOS2段とダイオードの縦積み構成であるために動作電圧範囲が狭く低電圧動作がやや厳しい。
ディプレッションMOS使用回路を図4に示す。ディプレッションMOS使用回路は、PMOS(Dtype)とNMOSの縦積み構成であるために動作電圧範囲が広く低電圧動作が可能で、エンハンストMOSのVTHで出力電圧を制御しているためVDDの揺れの影響を受けにくいため入力安定度、PSRRに優れている。一方、温度によるNMOS
VTHの変動により出力電圧の温度依存係数が大きい。またMOS VTHのプロセスバラツキ(製造工程におけるバラツキ)を直接受けるため、トリミングを必要とする。
特開2003−7837号公報 特開2004−86750号公報
LDO回路内で使用するリファレンス電圧を発生させる種々の回路が使用されているが、LDO回路における重要な要素としては、動作電圧範囲、入力安定度、PSRR、出力温度係数が挙げられる。これらの要素を向上するためには、回路の特性が重要となる。しかし、従来技術におけるリファレンス電圧発生回路では長所/短所があり、動作電圧範囲、入力安定度、出力温度係数の各要素を維持しながらPSRRを向上することは困難であった。
以上の問題に鑑みて本発明は、動作電圧範囲、入力安定度、PSRR、出力温度係数すべてが満足される電圧レギュレータ回路を提供することを目的とする。
本発明の請求項1に係る発明は、安定した高精度の電圧を出力する電圧レギュレータの回路であって、
1段目のLDO回路と2段目のLDO回路を備え、
前記1段目のLDO回路の出力を電源として、前記2段目のLDO回路を動作させ定電圧を発生させることを特徴とする電圧レギュレータ回路である。
本発明の請求項2に係る発明は、前記1段目のLDO回路はディプレッションMOS使用回路であり、前記2段目のLDO回路はAMP型BGR回路であることを特徴とする請求項1記載の電圧レギュレータ回路である。
本発明の電圧レギュレータによれば、動作電圧が広範囲の電圧に対して動作することが出来、上記広範囲の動作電圧においても従来と同等の入力安定度を確保することが出来、また従来と同等の出力温度係数を維持することが出来、更にMOSのプロセスバラツキによるトリミングを必要とせず、PSRRを引き上げることが出来る。
一般的なBGR回路を示す図。 AMP型BGR回路を示す図。 AMP型BGR回路(カスケード型)を示す図。 ディプレッションMOS使用回路を示す図。 本発明に係る電圧レギュレータ回路の一例を示す図。
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態を説明する。
図5は本発明に係る電圧レギュレータ回路の一例を示す図である。本発明に係る電圧レギュレータ回路はVDDとVSSからなる外部電源で動作する1段目LDO回路101と、1段目LDO回路出力を電源として動作する2段目LDO回路102で構成される。
1段目LDO回路101は、リファレンス電圧出力回路としてディプレッションMOS
を使用する。1段目LDO回路101に使用するディプレッションMOS使用回路は、PMOS(Dtype)とNMOS(Etype)の縦積み構成のため動作電圧範囲が広い。また、PMOSから供給される電流とNMOSのVthで出力電圧OUT1を制御しており、PMOSの電流はVDDの揺れの影響が小さいため、出力電圧OUT1もVDDの揺れの影響が小さい。
しかしながら上記1段目LDO回路101には、以下の短所がある。
(a)温度によるNMOS Vthの変動の影響を受けるため、出力電圧の温度係数が大きい。
(b)MOS Vthのプロセスバラツキの影響が大きいため、トリミングが必要になる。このため、LDO OUT1の特性についてもOUT1と同様の長所/短所を持つ。
2段目LDO回路102はリファレンス電圧出力回路(AMP型BGR回路)を使用する。2段目LDO回路102に使用するリファレンス電圧出力回路(AMP型BGR回路)は、PMOSとダイオードの縦積み構成のため動作電圧範囲は広い。
上記LDO OUT1は上記1段目LDO回路101の短所(a)、(b)によるバラツキを持つ。しかし2段目リファレンス電圧出力回路102の動作電圧範囲以上ではないため、問題はない。
一方、2段目リファレンス電圧出力回路102はPMOSで出力電圧を制御しているためVDDの揺れの影響が大きい。
しかしながら、VDDの揺れは1段目のLDO回路101で80dB程度となっているため、2段目リファレンス電圧出力回路102のOUT2では100dBと更に安定するため、VDDの揺れの影響は小さくなり欠点は解消される。
1段目のLDO回路101はVDDとVSSより、ある程度安定したLDO OUT1を発生させる。2段目LDO回路102はLDO OUT1を電源電圧として高精度に安定したLDO OUT2を発生させる。1段目のLDO回路101のリファレンス電圧発生回路は電源電圧(VDD)よりリファレンス電圧(OUT 1)を発生させる。アンプ1はリファレンス電圧(OUT 1)を増幅してLDO OUT1を出力する。更に、2段目のLDO回路102のリファレンス電圧発生回路は電源電圧(LDO OUT1)よりリファレンス電圧(OUT 2)を発生させる。アンプ2はリファレンス電圧(OUT
2)を増幅してLDO OUTを出力する。
この結果、上記(a)の出力電圧の温度係数が大きい、(b)のトリミングが必要になるといった短所が補われトリミング不要で動作電圧範囲、入力安定度、出力温度係数の要素を維持しつつPSRRを向上することが出来る。
表2は、上記本発明による電圧レギュレータ回路と従来の電圧レギュレータ回路の特性を比較した表を示す。
Figure 2012043085
表2に示すように、1段目LDO回路(ディプレッションMOS使用回路)による出力温度係数とトリミングが必要であるといった短所が、2段目LDO回路(AMP型BGR回路)によって補われ、動作電圧範囲、入力安定度、出力温度係数の要素を維持しつつPSRRを向上することが出来る。これとは別にディプレッションMOS使用回路と一般的なBGR回路の組み合わせが考えられるが、汎用品のLDO回路では、出力電圧1.0V
〜の特性が求められており、VDDは出力電圧+0.2Vが一般的な設定のため、VDD=1.2Vが最小のVDDとなる。本発明の電圧レギュレータ回路を適用した場合は1段目LDO回路の出力は1.0〜1.2V程度といった低電圧に対応することが出来、一般的なBGR回路では、動作電圧が1.0〜1.2V程度では、動作が厳しくなる。このような理由からディプレッションMOS使用回路と一般的なBGR回路の組み合わせは低電圧動作が難しい。
本発明による電圧レギュレータ回路によれば、一般的に用いられている電圧レギュレータの動作電圧範囲である1.2V〜5.5Vに対して1.0V〜6.0V程度といった広範囲の電圧に対して動作することが出来、広範囲の動作電圧において従来と同等の入力安定度を確保することが出来、また従来と同等の出力温度係数を維持することが出来、更にMOSのプロセスバラツキによるトリミングを必要とせず、従来60〜80dB程度であったPSRRを100dB程度まで引き上げることが出来る。
101・・・1段目LDO回路(ディプレッションMOS使用回路)
102・・・2段目LDO回路(AMP型BGR回路)

Claims (2)

  1. 安定した高精度の電圧を出力する電圧レギュレータの回路であって、
    1段目のLDO回路と2段目のLDO回路を備え、
    前記1段目のLDO回路の出力を電源として、前記2段目のLDO回路を動作させ定電圧を発生させることを特徴とする電圧レギュレータ回路。
  2. 前記1段目のLDO回路はディプレッションMOS使用回路であり、前記2段目のLDO回路はAMP型BGR回路であることを特徴とする請求項1記載の電圧レギュレータ回路。
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