WO2021087744A1 - Ldo、mcu、指纹模组及终端设备 - Google Patents

Ldo、mcu、指纹模组及终端设备 Download PDF

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ldo
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陈建兴
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深圳市汇顶科技股份有限公司
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    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/262—Current mirrors using field-effect transistors only

Definitions

  • the prior art LDO includes an operational amplifier EA and a resistor divider feedback network, etc., which not only has a complicated structure, but also consumes relatively large power, and thus cannot be applied to application scenarios with low power consumption requirements.
  • the present application provides a low-dropout linear regulator LDO, including: a reference voltage generating circuit and a source follower, a first end of the reference voltage generating circuit and a first end of the source follower Connected, the second end of the reference voltage generating circuit is grounded, and the second end of the source follower is used to connect to a load circuit;
  • R1, R2 resistance
  • V out output voltage
  • the temperature coefficient involved in the embodiments of the present application refers to the rate at which the physical properties of a material change with temperature.
  • the adjustable resistor in the embodiment of the present application may be a low temperature drift resistor (or referred to as a low temperature coefficient resistor), which refers to a precision resistor whose resistance is less affected by temperature changes.
  • a low temperature drift resistor or referred to as a low temperature coefficient resistor
  • the gate g and drain d of the first NMOS transistor M1 are used as the first end of the reference voltage generating circuit 20 to be connected to the first end of the source follower 21, and the source s of the first NMOS transistor M1 is connected to the adjustable resistor.
  • the first end of R 0 is connected, and the second end of the adjustable resistor R 0 is used as the second end of the reference voltage generating circuit 20 to be grounded.
  • the gate g and drain d of the first NMOS transistor M1 can also receive the supply current I.
  • the adjustable resistor R 0 in the embodiment of the present application may be a low temperature drift resistor (or referred to as a low temperature coefficient resistor), which refers to a precision resistor whose resistance is less affected by temperature changes.
  • a low temperature drift resistor or referred to as a low temperature coefficient resistor
  • the LDO provided by the embodiment of the present application includes: a reference voltage generating circuit 20 and a source follower 21 connected to the reference voltage generating circuit 20; the reference voltage generating circuit 20 includes a first NMOS transistor M1 and an adjustable resistor R 0 , the source follower 21 includes a second NMOS transistor M1.
  • the reference voltage generating circuit 20 is used to generate a temperature-varying reference voltage V ref to offset the voltage change of the voltage V gsM2 between the gate g and the source s of the second NMOS transistor M2 with the temperature change, thereby So that the output voltage V out does not change with temperature.

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Abstract

本申请提供一种LDO、MCU、指纹模组及终端设备，该LDO包括：参考电压生成电路以及与参考电压生成电路连接的源极跟随器，参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压，以抵消源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器的第二端的输出电压不随温度变化。本申请实施例提供的LDO省掉了现有技术中的运算放大器EA以及电阻分压反馈网络，不仅电路结构简单，而且可以实现超低功耗，同时还可以实现不随温度变化的输出电压，从而可以适用于功耗要求较低的应用场景。

Description

LDO、MCU、指纹模组及终端设备 技术领域
本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种LDO、MCU、指纹模组及终端设备。
背景技术
随着线性稳压器的发展，低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)替代了传统的线性稳压器，得到了越来越多的应用。
图1为现有技术常使用的LDO的结构示意图，如图1所示，现有的LDO中包括：参考电压生成电路、运算放大器EA、调整输出管M0、电阻分压反馈网络(例如包括电阻R1和电阻R2)；其中，参考电压生成电路可以为不随温度变化的带隙(Bandgap)基准源电路。具体的，LDO的输出电压经过电阻分压反馈网络分压后与参考电压生成电路所生成的参考电压输入到运算放大器EA进行比较，运算放大器EA将两者的差值放大，驱动调整输出管增加或者减小输出电流，从而调整输出电压，达到稳定输出电压的目标。
可见，现有技术的LDO中包括有运算放大器EA以及电阻分压反馈网络等，不仅结构比较复杂，而且功耗比较大，从而无法适用于功耗要求较低的应用场景。
发明内容
本申请提供一种LDO、MCU、指纹模组及终端设备，以解决现有技术的LDO无法适用于功耗要求较低的应用场景问题。
第一方面，本申请提供一种低压差线性稳压器LDO，包括：参考电压生成电路和源极跟随器，所述参考电压生成电路的第一端与所述源极跟随器的第一端连接，所述参考电压生成电路的第二端接地，所述源极跟随器的第二端用于与负载电路连接；
其中，所述参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压，以抵消 所述源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化。
作为一种可选的方式，所述参考电压生成电路包括：第一NMOS晶体管(N-Metal-Oxide-Semiconductor)和可调电阻，所述第一NMOS晶体管的栅极和漏极与所述源极跟随器的第一端连接，所述第一NMOS晶体管的源极通过所述可调电阻接地。
作为一种可选的方式，所述第一NMOS晶体管的栅极和漏极还用于接收温度系数可调的偏置电流Iptc。
作为一种可选的方式，所述源极跟随器包括：第二NMOS晶体管，其中，所述第二NMOS晶体管的栅极与所述第一NMOS晶体管的漏极连接，所述第二NMOS晶体管的源极用于与所述负载电路连接，所述第二NMOS晶体管的漏极与电源电压连接。
作为一种可选的方式，所述第一NMOS晶体管与所述第二NMOS晶体管的类型相同，且所述第一NMOS晶体管的沟道长度与所述第二NMOS晶体管的沟道长度相同。
作为一种可选的方式，所述可调电阻为低温漂电阻。
作为一种可选的方式，所述第二NMOS晶体管的源极通过稳压电容接地。
第二方面，本申请提供一种微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，包括：如上述第一方面的可选方式所述的LDO。
第三方面，本申请提供一种指纹模组，包括：如上述第二方面的可选方式所述的MCU。
第四方面，本申请提供一种终端设备，包括：如上述第三方面的可选方式所述的指纹模组。
本申请提供一种LDO、MCU、指纹模组及终端设备，其中的LDO包括：参考电压生成电路以及与参考电压生成电路连接的源极跟随器，参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压，以抵消源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器的第二端的输出电压不随温度变化。可见，相对于现有技术的LDO，本申请实施例提供的LDO省掉了现有技术中的运算放大器EA以及电阻分压反馈网络，不仅电路结构简单，而且可以实现超低功耗，同时还可以实现不随温度变化的输出电压，从而可以适用于功耗要求较低的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一下简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为现有技术常使用的LDO的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的LDO的结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的LDO的结构示意图。
附图标记说明：
EA：运算放大器；
M0：调整输出管；
R1、R2：电阻；
20：参考电压生成电路；
21：源极跟随器；
V out：输出电压；
V ref：参考电压；
M1：第一NMOS晶体管；
R 0：可调电阻；
g：栅极；
d：漏极；
s：源极；
I：供电电流；
M2：第二NMOS晶体管；
VDD：电源电压；
22：稳压电容。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
首先，对本申请实施例所涉及的应用背景和部分词汇进行介绍。
现有技术的LDO中包括有运算放大器EA以及电阻分压反馈网络等，不仅结构比较复杂，而且功耗比较大，从而无法适用于功耗要求较低的应用场景。
针对上述问题，本申请实施例提供一种LDO、MCU、指纹模组及终端设备，其中的LDO包括：参考电压生成电路以及与参考电压生成电路连接的源极跟随器，参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压，以抵消源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器的第二端的输出电压不随温度变化。可见，相对于现有技术的LDO，本申请实施例提供的LDO省掉了现有技术中的运算放大器EA以及电阻分压反馈网络，不仅电路结构简单，而且可以实现超低功耗，同时还可以实现不随温度变化的输出电压，从而可以适用于功耗要求较低的应用场景。
本申请实施例中涉及的参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压V ref，以作为源极跟随器的第一端的输入电压。
本申请实施例中涉及的源极跟随器的第二端用于与负载电路连接，其中，源极跟随器的特点包括：源极跟随器的第二端的输出电压V out＝源极跟随器的第一端的输入电压(即参考电压V ref)-源极跟随器的第一端与第二端之间的电压。另外，源极跟随器的第三端可以与电源电压连接。
可选地，本申请实施例中的源极跟随器可以包括但不限于：第二NMOS 晶体管，其中，第二NMOS晶体管的栅极作为源极跟随器的第一端与参考电压生成电路的第一端连接，第二NMOS晶体管的源极作为源极跟随器的第二端与负载电路连接，第二NMOS晶体管的漏极作为源极跟随器的第三端与电源电压连接。
对应地，源极跟随器的特点包括：第二NMOS晶体管的源极的输出电压V out＝第二NMOS晶体管的栅极的输入电压(即参考电压V ref)-第二NMOS晶体管的栅极与源极之间的电压。
本申请实施例中涉及的参考电压生成电路可以包括但不限于：第一NMOS晶体管和可调电阻，其中，第一NMOS晶体管的栅极和漏极作为参考电压生成电路的第一端与源极跟随器的第一端连接，第一NMOS晶体管的源极与可调电阻的第一端连接，可调电阻的第二端作为参考电压生成电路的第二端接地。
可选地，第一NMOS晶体管的栅极和漏极还可以用于接收温度系数可调的偏置电流(Programmable Temperature Coefficient Current，Iptc)。
本申请实施例中涉及的温度系数可调的偏置电流Iptc(或者简称偏置电流Iptc)是指该偏置电流的温度系数可以调节。例如，其温度系数可调的范围可以为-200ppm/℃～+200ppm/℃；其中，温度系数可调的范围可以包括端点值。
示例性地，该偏置电流Iptc可以为温度系数可调的偏置电路所产生的；当然，还可以为用于产生温度系数可调电流的其它电路所产生的，本申请实施例中对此不做限定。
本申请实施例中涉及的温度系数是指材料的物理属性随着温度变化而变化的速率。
示例性地，本申请实施例中的可调电阻可以是低温漂电阻(或者称之为低温度系数电阻)，是指其阻值受温度变化影响小的精密电阻。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
图2为本申请一实施例提供的LDO的结构示意图。如图2所示，本申请实施例提供的LDO可以包括：参考电压生成电路20和源极跟随器21；其中， 参考电压生成电路20的第一端与源极跟随器21的第一端连接，参考电压生成电路20的第二端接地，源极跟随器21的第二端(或者称之为输出端)用于与负载电路(图中未示出)连接。
其中，源极跟随器的特点包括：源极跟随器21的第二端的输出电压V out＝源极跟随器的第一端的输入电压(即参考电压生成电路20的第一端输出的参考电压V ref)-源极跟随器的第一端与第二端之间的电压。
考虑到源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压会随温度变化，本申请实施例中的参考电压生成电路20用于生成同样随温度变化的参考电压V ref，以抵消源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out不随温度变化。
例如，当源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化增加了ΔV时，则参考电压生成电路20所生成的参考电压V ref也同样增加ΔV，使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out不随温度变化。
又例如，当源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化减少了ΔV时，则参考电压生成电路20所生成的参考电压V ref也同样减少ΔV，使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out不随温度变化。
本申请实施例提供的LDO包括：参考电压生成电路20以及与参考电压生成电路20连接的源极跟随器21，其中，参考电压生成电路20用于生成随温度变化的参考电压V ref，以抵消源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out不随温度变化。可见，相对于现有技术的LDO，本申请实施例提供的LDO省掉了现有技术中的运算放大器EA以及电阻分压反馈网络，不仅电路结构简单，而且可以实现超低功耗，同时还可以实现不随温度变化的输出电压，从而可以适用于功耗要求较低的应用场景。
图3为本申请另一实施例提供的LDO的结构示意图。在上述实施例的基础上，本申请实施例对上述参考电压生成电路20和上述源极跟随器21的可实现方式进行介绍。
如图3所示，上述参考电压生成电路20可以包括：第一NMOS晶体管M1和可调电阻R 0。
其中，第一NMOS晶体管M1的栅极g和漏极d作为参考电压生成电路20的第一端与源极跟随器21的第一端连接，第一NMOS晶体管M1的源极s与可调电阻R 0的第一端连接，可调电阻R 0的第二端作为参考电压生成电路20的第二端接地。另外，第一NMOS晶体管M1的栅极g和漏极d还可以接收供电电流I。
示例性地，本申请实施例中的可调电阻R 0可以为低温漂电阻(或者称之为低温度系数电阻)，是指其阻值受温度变化影响小的精密电阻。
示例性地，上述参考电压生成电路20所生成的参考电压V ref可以通过如下公式(1)确定：
V ref＝I*R 0+V gsM1   公式(1)
其中，V gsM1代表第一NMOS晶体管M1的栅极g与源极s之间的电压。
需要说明的是，参考电压V ref还可以通过上述公式(1)的其它等效或者变形公式确定。
本申请实施例提供的参考电压生成电路20中的V gsM1会随温度变化而变化，可以用于抵消上述源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化，从而使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out不随温度变化。
需要说明的是，本申请实施例中还可以通过调节可调电阻R 0的电阻值的大小，来调整参考电压生成电路20所输出参考电压V ref的大小，以满足不同参考电压V ref的需求。
进一步地，上述供电电流可以为温度系数可调的偏置电流Iptc，即第一NMOS晶体管M1的栅极g和漏极d可以接收温度系数可调的偏置电流Iptc，对应地，还可以通过调节偏置电流Iptc的温度系数的方式，来补偿源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压的温度系数(或者说抵消上述源极跟随器21的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化)，从而使得源极跟随器21的第二端的输出电压V out的温度系数为0，即V out不随温度变化。应理解，通过调节偏置电流Iptc的温度系数的方式，也可以补偿可调电阻R 0的温度系数和/或V gsM1的温度系数。
如图3所示，上述源极跟随器21可以包括：第二NMOS晶体管M2，其中，第二NMOS晶体管M2的栅极g作为源极跟随器21的第一端与第一 NMOS晶体管M1的漏极d连接，以获取参考电压生成电路20所生成的参考电压V ref，第二NMOS晶体管M2的源极s作为源极跟随器21的第二端与负载电路连接，第二NMOS晶体管M2的漏极d作为源极跟随器21的第三端与电源电压VDD连接。
示例性地，源极跟随器21的特点包括：第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out＝第二NMOS晶体管M2的栅极g的输入电压(即参考电压V ref)-第二NMOS晶体管M2的栅极g与源极s之间的电压V gsM2。
结合上述公式(1)，则第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out可以通过如下公式(2)确定：
V out＝V ref-V gsM2＝I*R 0+V gsM1-V gsM2   公式(2)
需要说明的是，第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out还可以通过上述公式(2)的其它等效或者变形公式确定。
本申请实施例中的V gsM1和V gsM2会随温度变化而变化，V gsM1随温度的变化可以用于抵消V gsM2随温度的变化，从而使得第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out不随温度变化。
需要说明的是，若上述公式(2)中的供电电流I为温度系数可调的偏置电流Iptc，则进一步还可以通过调整偏置电流Iptc的温度系数来补偿V gsM2的温度系数(或者说抵消V gsM2随温度的变化)，从而使得第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out的温度系数为0，即V out不随温度变化。应理解，通过调节偏置电流Iptc的温度系数的方式，也可以补偿可调电阻R 0的温度系数和/或V gsM1的温度系数。
可选地，为了使得V gsM1随温度的变化可以用于完全抵消V gsM2随温度的变化，本申请实施例中的第一NMOS晶体管M1与第二NMOS晶体管M2是相同类型的NMOS晶体管，且第一NMOS晶体管M1的沟道长度与第二NMOS晶体管M2的的沟道长度相同，则第一NMOS晶体管M1的阈值电压V thM1与第二NMOS晶体管M2的阈值电压V thM2相同。对应地，上述公式(2)可以变形为如下公式(3)：
Figure PCTCN2019115716-appb-000001
其中，V odM1代表第一NMOS晶体管M1的过驱动电压，V odM2代表第二NMOS晶体管M2的过驱动电压，ΔV od代表第一NMOS晶体管M1与第二NMOS晶体管M2的过驱动电压差。
需要说明的是，第二NMOS晶体管M2的源极s的输出电压V out还可以通过上述公式(3)的其它等效或者变形公式确定。
本申请实施例中，由于第一NMOS晶体管M1与第二NMOS晶体管M2是相同类型的NMOS晶体管，且第一NMOS晶体管M1的沟道长度与第二NMOS晶体管M2的的沟道长度相同，第一NMOS晶体管M1的阈值电压V thM1与第二NMOS晶体管M2的阈值电压V thM2相同，因此，V gsM1随温度的变化可以用于完全抵消V gsM2随温度的变化。为了使得输出电压V out不随温度变化，上述可调电阻R 0可以采用低温漂电阻，上述供电电流I可以为不随温度变化而变化的偏置电流Iptc。
示例性地，对于LDO输出电流变化不大的应用场景(例如MCU的休眠模式或待机模式)，ΔV od接近于0，可见，输出电压V out只与温度系数可调的偏置电流Iptc以及可调电阻R 0有关，其中，可调电阻R 0可以用低温漂电阻，或者用不同温度系数的电阻组合构成的零温度系数电阻，上述供电电流可以为不随温度变化而变化的偏置电流Iptc，从而可以实现输出电压V out不随温度变化。
又一示例性地，对于ΔV od不接近于0的应用场景，可以通过调节偏置电流Iptc的温度系数来补偿可调电阻R 0的温度系数和/或ΔV od的温度系数(如果ΔV od的温度系数不为零)，使得输出电压V out不随温度变化。
综上所述，本申请实施例提供的LDO包括：参考电压生成电路20以及与参考电压生成电路20连接的源极跟随器21；参考电压生成电路20包括第一NMOS晶体管M1和可调电阻R 0，源极跟随器21包括第二NMOS晶体管M1。其中，参考电压生成电路20用于生成随温度变化的参考电压V ref，以抵消第二NMOS晶体管M2的栅极g与源极s之间的电压V gsM2随温度变化所产生的电压变化，从而使得输出电压V out不随温度变化。可见，相对于现有技术中的LDO，本申请实施例提供的LDO省掉了现有技术中的运算放大器EA以及电阻分压反馈网络，不仅电路结构简单，而且可以实现超低功耗，同时还可以实现不随温度变化的输出电压，从而可以适用于功耗要求较低的应用场 景。
进一步地，在上述实施例的基础上，如图3所示，本申请实施例中的第二NMOS晶体管M2的源极s还可以通过稳压电容22接地，其中，稳压电容22用于尽量保持输入到负载电路的电压基本不变，从而可以尽量保证负载电路的正常运行。
需要说明的是，上述稳压电容22还可以采用其它具有稳压功能的器件或电路代替。
本申请实施例还提供一种MCU，包括：如本申请上述任意实施例提供的LDO，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本申请实施例还提供一种指纹模组，包括：如本申请上述实施例提供的MCU。
本申请实施例还提供一种终端设备，包括：如本申请上述实施例提供的指纹模组。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (11)

  1. 一种低压差线性稳压器LDO，其特征在于，包括：参考电压生成电路和源极跟随器，所述参考电压生成电路的第一端与所述源极跟随器的第一端连接，所述参考电压生成电路的第二端接地，所述源极跟随器的第二端用于与负载电路连接；
    其中，所述参考电压生成电路用于生成随温度变化的参考电压，以抵消所述源极跟随器的第一端与第二端之间的电压随温度变化所产生的电压变化。
  2. 根据权利要求1所述的LDO，其特征在于，所述参考电压生成电路包括：第一NMOS晶体管和可调电阻，所述第一NMOS晶体管的栅极和漏极与所述源极跟随器的第一端连接，所述第一NMOS晶体管的源极通过所述可调电阻接地。
  3. 根据权利要求2所述的LDO，其特征在于，所述第一NMOS晶体管的栅极和漏极还用于接收温度系数可调的偏置电流Iptc。
  4. 根据权利要求2或3所述的LDO，其特征在于，所述源极跟随器包括：第二NMOS晶体管，其中，所述第二NMOS晶体管的栅极与所述第一NMOS晶体管的漏极连接，所述第二NMOS晶体管的源极用于与所述负载电路连接，所述第二NMOS晶体管的漏极与电源电压连接。
  5. 根据权利要求4所述的LDO，其特征在于，所述第一NMOS晶体管与所述第二NMOS晶体管的类型相同，且所述第一NMOS晶体管的沟道长度与所述第二NMOS晶体管的沟道长度相同。
  6. 根据权利要求2或3所述的LDO，其特征在于，所述可调电阻为低温漂电阻。
  7. 根据权利要求6所述的LDO，其特征在于，所述可调电阻的温度系数为零温度系数。
  8. 根据权利要求4所述的LDO，其特征在于，所述第二NMOS晶体管的源极通过稳压电容接地。
  9. 一种MCU，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一项所述的LDO。
  10. 一种指纹模组，其特征在于，包括：如权利要求9所述的MCU。
  11. 一种终端设备，其特征在于，包括：如权利要求10所述的指纹模组。
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