專利名稱：一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬集成電路技術(shù)，尤其指一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路。
背景技術(shù)：
LDO(Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)是電源IC(Integratedcircuit，集成電路)中的一個(gè)重要分支，和基于PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)、PFM(Pulse Frequency Modulation，脈沖頻率調(diào)制原理)的DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器相比，它具有成本低，噪聲低和靜態(tài)電流小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于無(wú)需電感，也不會(huì)帶來(lái)EMI的問(wèn)題，在便攜式產(chǎn)品應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)使用LDO作為系統(tǒng)的電源。
如圖1所示，一個(gè)基本的LDO由輸出管103、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)104、誤差放大器102以及基準(zhǔn)電壓101構(gòu)成?；鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊通常是帶隙基準(zhǔn)(bandgap)電壓，該模塊產(chǎn)生一個(gè)幾乎不隨電源電壓、芯片溫度等工作條件而變化的參考電壓。輸出電壓VOUT通過(guò)電阻R1、R2分壓進(jìn)行采樣，并且該分壓信號(hào)反饋到誤差放大器EA(Error Amplifier)的一個(gè)輸入端。誤差放大器的另一個(gè)輸入端連接參考電壓，誤差放大器的輸出VG接到一個(gè)具有很大寬長(zhǎng)比的PMOS驅(qū)動(dòng)管MPX，當(dāng)當(dāng)外部負(fù)載條件或者其他條件的變化使得輸出電壓VOUT變化時(shí)，誤差放大器的輸出VG電壓也會(huì)隨之而變化，控制PMOS管MPX的導(dǎo)通程度，從而使得VOUT的電壓保持不變。負(fù)載電容CL用于輔助控制使得這樣的一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)在各種應(yīng)用條件情況下保持穩(wěn)定，RL為L(zhǎng)DO的輸出所帶的等效負(fù)載。
隨著便攜式消費(fèi)電子設(shè)備(例如手機(jī)，MP3播放器，數(shù)碼相機(jī)等等)的不斷發(fā)展，對(duì)電源IC也不斷的提出新的要求。隨著工藝的進(jìn)步，.18um、.13um線寬的工藝已經(jīng)逐步成為主流工藝，同時(shí)主芯片的所需要的工作電壓不斷降低，那么就需要LDO可以產(chǎn)生更低的輸出電壓，例如1.2V，1.5V、1.8V等等。
在便攜式設(shè)備中，尤其關(guān)注的是電源IC的轉(zhuǎn)換效率，對(duì)于LDO，其效率很大程度上取決于LDO的輸入電壓和輸出電壓的比值。不考慮LDO內(nèi)部工作電路的靜態(tài)電流損耗，LDO的效率近似為η＝VOUT/VIN*100％ 公式(1)可以看到，對(duì)于相同的VOUT，VIN越低，那么LDO的轉(zhuǎn)換效率就越高。但是，隨著輸入電壓VIN的降低，在接近VOUT電壓的情況下，驅(qū)動(dòng)大PMOS管MPX的柵源電壓VGS受到限制，至多為VIN，MPX的電流驅(qū)動(dòng)能力也隨之減小，這就限制了LDO的驅(qū)動(dòng)能力。PMOS管的導(dǎo)通電流為ID=12μpCOXWL(VGS-VTH)2]]>公式(2)式中μp是空穴載流子的遷移率，COX是單位面積的柵氧化層電容。 為輸出管的寬長(zhǎng)比，為PMOS管的閾值電壓。
對(duì)于這種基于CMOS工藝的LDO驅(qū)動(dòng)級(jí)，隨著輸入電壓VIN的下降，必然會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)能力不夠的問(wèn)題。
為了提高輸出驅(qū)動(dòng)管MPX的驅(qū)動(dòng)能力，在設(shè)計(jì)中可以讓MPX有更大的寬長(zhǎng)比，而更大的寬長(zhǎng)比需要更大的芯片面積，這樣會(huì)帶來(lái)芯片成本的增加，同時(shí)更大的寬長(zhǎng)比帶來(lái)更大的寄生電容，這對(duì)LDO的響應(yīng)速度又有不利的影響。
PMOS管是一個(gè)四端器件，分別為，柵(Gate)、源(Source)、漏(Drain)和襯底(Buck)，在圖1中，MPX的柵接在誤差放大器EA的輸出，源端和襯底一起接到VIN，漏端接到VOUT。
而在有限的柵源電壓和PMOS管MPX尺寸的情況下，給源與襯底之間增加一個(gè)正向偏壓，改變閾值電壓是一個(gè)十分有效的方法。閾值電壓為VTH=VTH0+γ(|2ΦF|-VSB-|2ΦF|)]]>公式(3)式中VTH0定義為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時(shí)的柵壓，γ是體效應(yīng)系數(shù)，|2ΦF|是表面反型勢(shì)。
由公式(2)(3)可以看出，在相同的VGS情況下，隨著源襯電壓VSB的增加，VTH變小，ID變大。這樣就提高了MPX的驅(qū)動(dòng)能力，使得MPX能夠?qū)ǜ蟮碾娏鳌?br> 為了增加LDO驅(qū)動(dòng)能力，已有的解決電路如圖2所示。
圖2新增結(jié)構(gòu)(206)是一種電流鏡采樣輸出管電流改變?cè)匆r電壓VSB的方法，二極管D是肖特基二極管。輕負(fù)載低電流時(shí)，VSB近似為0。隨著負(fù)載增加流經(jīng)MPX的電流增大，MPS采樣電流增大，VSB增大，MPX的VTH變小，使得MPX的驅(qū)動(dòng)能力得到提升。
但是，在通常的CMOS工藝中，一般不能提供這樣的肖特基二極管，為了實(shí)現(xiàn)上述的電路結(jié)構(gòu)，需要外接一個(gè)肖特基二極管，這樣不利于集成，也增加了應(yīng)用成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，不僅能改善LDO驅(qū)動(dòng)能力，提高LDO的轉(zhuǎn)換效率，而且容易實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所提供的一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，基于由輸出管、誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載所組成的電路，其特征在于它還包括一開關(guān)電路和與之相連的開關(guān)控制電路，其中開關(guān)電路，用于控制輸出管的襯底電位的連接；開關(guān)控制電路，用于控制所述開關(guān)電路中開關(guān)的導(dǎo)通狀況。
在上述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路中，開關(guān)電路包括兩MOS管MP1、MP2和一反相器INV。
在上述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路中，兩個(gè)MOS管MP1、MP2形成為不同時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)。
在上述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路中，兩開關(guān)不同時(shí)導(dǎo)通的方式為當(dāng)?shù)谝籑OS管MP1導(dǎo)通時(shí)，輸出管MPX的襯底接到輸入電壓VIN，為通常情況；當(dāng)?shù)诙﨧OS管MP2導(dǎo)通時(shí)，輸出管MPX的襯底電位接到輸出電壓VOUT，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)VSB電壓。
在上述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路中，開關(guān)控制電路由一個(gè)具有回滯特性的比較器、電阻R3和電流源ISR構(gòu)成，比較器的負(fù)端接輸出電壓VOUT，正端接一電流源和電阻間產(chǎn)生的參考電位。
由于采用了上述的技術(shù)解決方案，即，在VIN電壓比較低、需要增強(qiáng)輸出管的電流驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，這時(shí)把輸出管的襯底電位接到VOUT，而當(dāng)VIN電壓比較高、輸出管驅(qū)動(dòng)能力足夠時(shí)，輸出管的襯底電位接到VIN。通過(guò)這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)改變輸出管襯底電壓的電路，可以大大增強(qiáng)在VIN電壓較低時(shí)LDO的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)，這種電路易于集成，利于普通的CMOS工藝即可實(shí)現(xiàn)。


圖1是現(xiàn)有的一個(gè)基本的LDO的電路圖；圖2是現(xiàn)有的增加LDO驅(qū)動(dòng)能力后的電路圖；圖3是本發(fā)明增強(qiáng)LDO驅(qū)動(dòng)能力的電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，本發(fā)明，即一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，基于由輸出管103、誤差放大器102、基準(zhǔn)電壓源101、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)104和負(fù)載105所組成的現(xiàn)有電路，其特征在于它還包括一開關(guān)電路307和與之相連的開關(guān)控制電路308，其中開關(guān)電路307包括兩MOS管MP1、MP2和一反相器INV，用于控制輸出管103的襯底電位的連接；開關(guān)控制電路308由一個(gè)具有回滯特性的比較器、電阻R3和電流源ISR構(gòu)成，比較器的負(fù)端接輸出電壓VOUT，正端接一電流源和電阻間產(chǎn)生的參考電位，用于控制所述開關(guān)電路307中的某一開關(guān)的導(dǎo)通狀況。
參見(jiàn)圖3，利用MOS開關(guān)307來(lái)控制輸出管MPX的襯底電位的連接，開關(guān)MP1和MP2是一組不同時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)，當(dāng)MP1導(dǎo)通時(shí)，MPX的襯底接到VIN，為通常情況；當(dāng)MP2導(dǎo)通時(shí)，MPX的襯底電位接到VOUT，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)VSB電壓。MP1和MP2的導(dǎo)通狀況由開關(guān)控制電路(308)決定。開關(guān)控制電路308由一個(gè)具有回滯特性的比較器構(gòu)成，比較器的負(fù)端接VOUT，正端接一電流源何電阻產(chǎn)生的參考電位，該點(diǎn)電位為V+＝VIN-VR3＝VIN-ISR*R3電流源ISR使R3上產(chǎn)生一個(gè)300mV左右的壓降。
當(dāng)VIN-VR3＞VOUT時(shí)，MP1導(dǎo)通，VSB＝0。
當(dāng)VIN-VR3＜VOUT時(shí)，MP2導(dǎo)通，VSB＝VIN-VOUT通過(guò)這樣的一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)動(dòng)態(tài)的控制MPX的襯底電位，使得當(dāng)VIN電壓比較低并且接近VOUT時(shí)，MPX的襯底電位接到VOUT，正向偏置MPX的源端到襯底的電壓，這樣就等效減小了MPX的閾值電壓，從而增強(qiáng)了MPX的電流驅(qū)動(dòng)能力。而比較器具有回滯特性，又使得MPX的襯底電壓的切換不會(huì)隨著VIN、VOUT的變化而頻繁改變，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常回滯電壓可以設(shè)置為100mV～200mV。
MPX的電流驅(qū)動(dòng)能力公式如下ID=12μpCOXWL(VGS-VTH0-γ(|2ΦF|-VSB-|2ΦF|))2]]>公式(4)對(duì)于VIN＝1.5V，VOUT＝1.2V的一種應(yīng)用情況下，可以計(jì)算一下是否采用本發(fā)明所帶來(lái)輸出管電流驅(qū)動(dòng)能力的差別μpCOX為15uA/V2，VTH0為0.9V，γ為0.5V1/2，|2ΦF|為0.6V，這幾個(gè)參數(shù)是和工藝相關(guān)的參數(shù)，MPX的寬長(zhǎng)比W/L設(shè)計(jì)為40000，在VIN電壓為1.5V時(shí)，VGS最大值為1.5V，當(dāng)VSB為0時(shí)，IDmax＝108mA。
當(dāng)VSB為0.3V時(shí)，IDmax＝152.7mA。
可見(jiàn)如果不采用本發(fā)明的方法，MPX的襯底電位固定接VIN，那么MPX的最大驅(qū)動(dòng)能力為108mA，而當(dāng)采用本專利提出的電路后，驅(qū)動(dòng)能力可以增大到152.7mA，驅(qū)動(dòng)能力有了極大的改善。
綜上所述，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1.在VIN電壓比較低的情況下，顯著改善LDO驅(qū)動(dòng)能力。
2.工藝實(shí)現(xiàn)容易，用一般的CMOS工藝即可實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用時(shí)無(wú)需額外的元器件。
以上實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇之內(nèi)，應(yīng)由各權(quán)利要求限定。而納入權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，基于由輸出管(103)、誤差放大器(102)、基準(zhǔn)電壓源(101)、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(104)和負(fù)載(105)所組成的電路，其特征在于它還包括一開關(guān)電路(307)和與之相連的開關(guān)控制電路(308)，其中開關(guān)電路(307)，用于控制輸出管(103)的襯底電位的連接；開關(guān)控制電路(308)，用于控制所述開關(guān)電路(307)中開關(guān)的導(dǎo)通狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，其特征在于所述開關(guān)電路(307)包括兩MOS管(MP1、MP2)和一反相器(INV)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，其特征在于所述兩個(gè)MOS管(MP1、MP2)形成為不同時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，其特征在于所述兩開關(guān)不同時(shí)導(dǎo)通的方式為當(dāng)?shù)谝籑OS管(MP1)導(dǎo)通時(shí)，輸出管(MPX)的襯底接到輸入電壓(VIN)，為通常情況；當(dāng)?shù)诙﨧OS管(MP2)導(dǎo)通時(shí)，輸出管(MPX)的襯底電位接到輸出電壓(VOUT)，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)VSB電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，其特征在于所述開關(guān)控制電路(308)由一個(gè)具有回滯特性的比較器、電阻(R3)和電流源(ISR)構(gòu)成，比較器的負(fù)端接輸出電壓(VOUT)，正端接一電流源和電阻間產(chǎn)生的參考電位。
全文摘要
一種工藝上易實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)低壓差線性穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)能力的電路，基于現(xiàn)有的LDO電路，其特征在于它還包括一開關(guān)電路(307)和與之相連的開關(guān)控制電路(308)，其中開關(guān)電路(307)，用于控制輸出管(103)的襯底電位的連接；開關(guān)控制電路(308)，用于控制開關(guān)電路(307)中開關(guān)的導(dǎo)通狀況。本發(fā)明在VIN電壓比較低、柵源電壓不夠大，需要增強(qiáng)輸出管的電流驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，把輸出管的襯底電位接到VOUT，而當(dāng)VIN電壓比較高、輸出管驅(qū)動(dòng)能力足夠時(shí)，輸出管的襯底電位接到VIN。通過(guò)這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)改變輸出管襯底電壓的電路，可以大大增強(qiáng)在VIN電壓較低時(shí)LDO的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)，這種電路易于集成，利用普通的CMOS工藝即可實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G05F3/00GK1828470SQ20061002387
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者孫洪軍, 吳珂, 史亞軍 申請(qǐng)人:啟攀微電子(上海)有限公司