專利名稱：一種超低壓差以及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬集成電路，屬于一種線性穩(wěn)壓器，尤其是一種超低壓差及大驅(qū)動能力的 線性穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator)屬于電源管理IC的一種，廣泛應用于便攜式設(shè)備 中。相比于使用電感的DC-DC (直流-直流)轉(zhuǎn)換器，它具有成本低、噪聲低、和靜態(tài)電流 低等特點，同時由于沒有電感，也沒有EMI問題。
傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器通常由PMOS輸出管，驅(qū)動電路(Buffer),電阻分壓的反饋網(wǎng)絡，誤差 放大器以及基準電路組成。基準電路通常采用帶隙基準(Bandgap reference),該模塊產(chǎn)生一 個幾乎不隨溫度和電源等工作環(huán)境變化的參考電位。輸出電壓VOUT通過分壓電阻Rl、 R2 采樣，并將該信號反饋至誤差放大器的正向輸入端。同時誤差放大器的負向輸入端接基準電 壓，誤差放大器的輸出接PMOS輸出管的柵極。當外部負載條件或其他條件變化導致線性穩(wěn) 壓器輸出電壓發(fā)生變化時，誤差放大器的輸出也會相應的發(fā)生變化，調(diào)整PMOS輸出的導通 狀態(tài)(類似可變電阻)，進而保證輸出電壓回到穩(wěn)定狀態(tài)。負載電容CL用于輔助控制這樣的 一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)在各種應用情況下保持穩(wěn)定，RL為等效負載電阻。
線性穩(wěn)壓器的驅(qū)動能力由下式?jīng)Q定
7DS 〉(P; _ Km)，飽和區(qū)PMOS輸出管的導通電流滿足 1 『 ，
zD =5ACOT7(&C —rra)2 公式[i]
yp為空穴載流子的遷移率，Cox為單位面積的柵氧化層電容，W/L為輸出管的寬長比， Vscj為PMOS管的柵源電壓差，vth為PMOS管閾值。
為了提高PMOS輸出管的驅(qū)動能力，可以通過增加寬長比W/L，但是寬長比增加通常要 增加芯片面積，這樣會帶來芯片成本的增加，同時更大的寬長比意味著更大的寄生電容，會 影響線性穩(wěn)壓器的響應速度。
NMOS管飽和導通電流滿足(Vds〉Vgs-Vth條件下) 1 『 ，
^=5^co;r 7(^-^)2 公式[2]
Un為電子載流子的遷移率，通常Un比iip大，那么在同樣的寬長比情況下，采用NMOS管做驅(qū)動管可以比PMOS驅(qū)動管驅(qū)動能力顯著提高。 現(xiàn)有的NMOS輸出管的線性穩(wěn)壓器電路圖2。 線性穩(wěn)壓器壓降VDROPOUT為
線性穩(wěn)壓器輸入電壓VIN下降到一定臨界值時，系統(tǒng)失去對輸出電壓的調(diào)節(jié)能力，
vdropout定義為臨界點處輸入電壓和輸出電壓的差值。
不考慮內(nèi)部靜態(tài)電流損耗，線性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)化效率為
7 =
OOT xl00%
公式[3]
vIN為線性穩(wěn)壓器輸入電壓，VOUT為線性穩(wěn)壓器輸出電壓。
可以看到，在相同的Vout的情況下，VIN越低，效率越高。 Vw接近VouT時，忽略驅(qū)動電路壓降Vos (P)，近似有Vg"V,
Vds=Vin-Vout
Vgs-Vth= Vin-Vout-Vth
不能滿足 VDS《VGS-VTH
即不能進入線性區(qū)。
意味著壓降VDROTOUT近似為
7z^(9尸06t《^gs + (尸)
其中VDS (P)是驅(qū)動級(Buffer)的壓降。 忽略驅(qū)動級(Buffer)的壓降Vos (P)，近似有
但是在隨著VIN下降，在
那么
公式[4] 公式[5] 公式[6]
公式[7]
公式[8]
直接采用NMOS導致線性穩(wěn)壓器壓降高，不能滿足對效率要求較高的場合。 因此，為了克服上述缺點，就非常有必要對現(xiàn)有線性穩(wěn)壓器進行改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于克服上述現(xiàn)有的線性穩(wěn)壓器電路所存在的不足，從而提供一種采用 NMOS驅(qū)動管以及電荷泵升壓電路的線性穩(wěn)壓器，可以同時滿足超低壓差及大驅(qū)動能力。
本發(fā)明提供了一種超低壓差以及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，基于由驅(qū)動電路(Buffer)(3)，電阻分壓的反饋網(wǎng)絡(4)，誤差放大器(2)，基準電路(1)，負載(5)所組成的電路， 其特征在于還包括NMOS輸出管(7)以及正向升壓電荷泵電路(8)，其中
NMOS輸出管(7)，被配置成接受驅(qū)動電路(Buffer) (3)輸出的電壓信號，并提供相 應電流給負載(5);
正向升壓電荷泵電路(8)，被配置成接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN,并為驅(qū)動電 路(Buffer) (3)供電。
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，NMOS輸出管(7)被配置成柵極接驅(qū) 動電路(Buffer) (3)的輸出端，漏極接線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，源極接負載(5) 和電阻分壓的反饋網(wǎng)絡(4)共同的VOUT輸出端，并且襯底和源極相連。
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，NMOS輸出管(7)在制作中必須采用P
阱工藝。
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，正向升壓電荷泵電路(8)，被配置成接 受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，并進行升壓操作，輸出電壓為N (N>1)倍的VIN，即 N*VIN;
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，正向升壓電荷泵電路(8)的輸出電壓為 驅(qū)動電路(Buffer) (3)供電；
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，驅(qū)動電路(Buffer) G)被配置成由正向 升壓電荷泵電路(8)供電，接收來自誤差放大器(2)的控制信號，并輸出NMOS輸出管(7) 的控制信號。
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，驅(qū)動電路(Buffer) (3)被配置成由正向 升壓電荷泵電路(8)供電，并且其輸出電壓用來驅(qū)動NMOS輸出管(7)的柵極。
在上述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，NMOS輸出管(7)的柵極被配置成最 高電位可以達到N (N〉1)倍的VIN，即NnaN。
由于采用上述的解決方案，相比于的現(xiàn)有的PMOS驅(qū)動的線性穩(wěn)壓器和單獨NMOS驅(qū)動 的線性穩(wěn)壓器，同時引入NMOS驅(qū)動管以及電荷泵升壓電路，可以同時兼有NMOS較PMOS 的強驅(qū)動能力，以及線性穩(wěn)壓器低的壓降兩個優(yōu)點，從而特別適合輸入電壓和輸出電壓接近 的場合，并且又可以提供較強的驅(qū)動能力，顯著提升效率。因此本發(fā)明可以在保證以上兩種 性能的前提下，節(jié)省芯片面積，節(jié)約成本，并具有很強的可實施性。
參考下面的詳細說明和附圖，可以更全面的理解本發(fā)明的各種其它目的、特征和優(yōu)點。


圖1是現(xiàn)有的PMOS線性穩(wěn)壓器原理圖 圖2是現(xiàn)有使用NMOS的線性穩(wěn)壓器
圖3是本發(fā)明使用的帶正向升壓電荷泵的NMOS增強驅(qū)動線性穩(wěn)壓器 圖4是本發(fā)明使用的2倍正向電荷泵的標準電路
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種超低壓差以及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器(圖3)，基于由驅(qū)動電路 (Buffer) (3)，電阻分壓的反饋網(wǎng)絡(4)，誤差放大器(2)，基準電路(1)，負載(5)所組 成的電路，其特征在于還包括NMOS輸出管(7)以及正向升壓電荷泵電路(8)，其中
NMOS輸出管(7)，被配置成接受驅(qū)動電路(Buffer) (3)輸出的電壓信號，并提供相 應電流給負載(5);
正向升壓電荷泵電路(8)，被配置成接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，并為驅(qū)動電 路(Buffer) (3)供電。
通過引入電荷泵電路(Chargepump)來提升NMOS驅(qū)動管柵電位，可以很好解決采用 NMOS導致線性穩(wěn)壓器壓降高的問題，并且可以提升驅(qū)動能力。
例如Vw供電的xN倍的電荷泵電路，可以提供NV^電壓，例如1.5倍，2倍，3倍等。 例如采用比較簡單的2倍正向電荷泵(如圖4)，只需要2個小寄生電容和環(huán)形振蕩器，就可以 在CMOS工藝中很好實現(xiàn)升壓功能。
圖4中INV1 INV5反相器構(gòu)成環(huán)形振蕩器，輸出控制信號O和O，分別控制開關(guān)S1和 S2來達到將VIN升壓到Vcp=2Vin的目的。
那么
VG (max)可以接近NV!n，滿足:.
F <(K -r ) 厶L J
即進入線性區(qū)，NMOS管導通電阻Row為
及w =-^- 公式[io]
可以注意到VGS=VG-VOUT，那么NMOS管柵電位VG越高，RON就越小。壓降VoROPOUT為
<formula>formula see original document page 7</formula>
IouT為負載電流，同樣的負載電流，當NMOS管柵電位V(j越高，RoN就越小，同吋Vdropou丁
也越小，V!n越接近Vout，從而提高效率。
有電荷泵供電的VGS1=NVIN-VOUT 公式[12]
對比沒有電荷泵供電的圖2中Ves2=VIN-V0UT 公式[13]
VGS1 〉 VGS2 公式[14] 1 『 ，
結(jié)合公式[2] /D =5^cOTT(rGS -rra)2
在同樣的VOUT條件下，NMOS的最大電流驅(qū)動能力隨著Vcs的提升，也會提升。
因此，在使用NMOS輸出管并帶有正向升壓電荷泵的線性穩(wěn)壓器，相比PMOS輸出管的 線性穩(wěn)壓器和普通NMOS輸出管的線性穩(wěn)壓器，同樣芯片尺寸下，可以顯著提升電流驅(qū)動能 力，并可以顯著降低VDROK)ut電壓，使輸入和輸出電壓更接近，顯著提升效率。
在工藝選擇上，采用P阱CMOS工藝，NMOS管源和襯底連一起，消除襯偏效應對閾值 的影響。利用公式
Fm 二^別+z(^/l20^+F朋卜Vl2(Ivl) 公式[15]
VTH。定義為界面的電子濃度等于p型襯底的多子濃度時的柵壓，Y是體效應系數(shù)， I 20)F I為表面反型勢，VsB為源襯電勢差。 當Vs!^0時，VTH=VTH0，可以消除襯偏效應對閾值的影響。 下面結(jié)合圖3介紹本發(fā)明的工作工程
超低壓差以及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器包括NMOS輸出管，驅(qū)動電路(Buffer),電阻分 壓的反饋網(wǎng)絡，誤差放大器，基準電路，負載以及正向升壓電荷泵電路。
電阻分壓的反饋網(wǎng)絡連接于NMOS輸出管以及誤差放大器之間，根據(jù)NMOS輸出管輸 出電流的大小，提供輸出電壓，并提供反饋電壓VFB至誤差放大器的反相輸入端。反饋網(wǎng)絡 采用電阻Rl和R2分壓電阻構(gòu)成，Rl連接在VOUT和VFB之間，R2連接在VFB和GND 之間，由圖3可以得到輸出電壓VOUT和反饋電壓VFB之間的比例為VOUT= ( 1+R1/R2) VFB。
誤差放大器的正相端接基準電壓VREF，負相端接反饋電壓VFB，通過比較VREF和VFB，輸出合適的電壓到驅(qū)動電路(Buffer),起到控制NMOS輸出管柵電壓，進而穩(wěn)定輸出電壓。
驅(qū)動電路(Buffer)是用來直接驅(qū)動NMOS輸出管，由于NMOS輸出管尺寸一般都比較 大，寄生電容明顯，為了提高響應速度，必須加驅(qū)動電路(Buffer)。另外本例驅(qū)動電路采用 正向升壓電荷泵供電，這樣可以保證為NMOS輸出管的柵提供高于輸入電壓VIN的電位， 從而保證該線性穩(wěn)壓器的超低壓差以及大驅(qū)動能力。
基準電路是為誤差放大器的正相端提供參考電位，以保證合適的輸出電壓。本例中采用 帶隙基準電路，可以提供具有良好溫度特性和電源特性的參考電壓。
正向升壓電荷泵電路接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，經(jīng)過升壓操作，輸出電壓為 N (N〉l)倍的VIN，艮卩N承VIN，并為驅(qū)動電路(Buffer) (3)供電，從而提升NMOS驅(qū)動 管柵電位，可以很好解決采用NMOS導致線性穩(wěn)壓器壓降高的問題，并且可以提升驅(qū)動能力。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點。相比于的現(xiàn)有的PMOS驅(qū)動的線性穩(wěn)壓器和單獨NMOS驅(qū)動的線 性穩(wěn)壓器，同時引入NMOS驅(qū)動管以及電荷泵升壓電路，可以同時兼有NMOS較PMOS的 強驅(qū)動能力，以及線性穩(wěn)壓器低的壓降兩個優(yōu)點，從而特別適合輸入電壓和輸出電壓接近的 場合，并且又可以提供較強的驅(qū)動能力，顯著提升效率。因此本發(fā)明可以在保證以上兩種性 能的前提下，節(jié)省芯片面積，節(jié)約成本，并具有很強的可實施性。
以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(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，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方 案也應該屬于本發(fā)明的范疇之內(nèi)，應由各權(quán)利要求限定，而納入權(quán)力要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，基于由驅(qū)動電路(Buffer)(3)，電阻分壓的反饋網(wǎng)絡(4)，誤差放大器(2)，基準電路(1)，負載(5)所組成的電路，其特征在于還包括NMOS輸出管(7)以及正向升壓電荷泵電路(8)，其中NMOS輸出管(7)，被配置成接受驅(qū)動電路(Buffer)(3)輸出的電壓信號，并提供相應電流給負載(5)；正向升壓電荷泵電路(8)，被配置成接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，并為驅(qū)動電路(Buffer)(3)供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述NMOS 輸出管(7)被配置成柵極接驅(qū)動電路(Buffer) (3)的輸出端，漏極接線性穩(wěn)壓器外部的電 壓信號VIN，源極接負載(5)和電阻分壓的反饋網(wǎng)絡(4)共同的VOUT輸出端，并且襯底 和源極相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于NMOS輸 出管(7)在制作中必須采用P阱工藝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，所述正向 升壓電荷泵電路(8)，被配置成接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，并進行升壓操作，輸 出電壓為N (N>1)倍的VIN，即Nn^IN;
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，正向升壓 電荷泵電路(8)的輸出電壓為驅(qū)動電路(Buffer) (3)供電；
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，驅(qū)動電路 (Buffer) (3)被配置成由正向升壓電荷泵電路(8)供電，接收來自誤差放大器(2)的控制信號，并輸出NMOS輸出管(7)的控制信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，驅(qū)動電路 (Buffer) (3)被配置成由正向升壓電荷泵電路(8)供電，并且其輸出電壓用來驅(qū)動NMOS輸出管(7)的柵極。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，其特征在于，由于正向 升壓電荷泵電路(8)的引入，NMOS輸出管(7)的柵極被配置成最高電位可以達到N(N〉1) 倍的VIN，即Nn^IN。
全文摘要
一種超低壓差及大驅(qū)動能力的線性穩(wěn)壓器，基于由驅(qū)動電路(Buffer)，電阻分壓的反饋網(wǎng)絡，誤差放大器，基準電路，負載所組成的電路，其特征在于還包括NMOS輸出管以及正向升壓電荷泵電路，其中NMOS輸出管，被配置成接受驅(qū)動電路(Buffer)輸出的電壓信號，并提供相應電流給負載；正向升壓電荷泵電路，被配置成接受線性穩(wěn)壓器外部的電壓信號VIN，并為驅(qū)動電路(Buffer)供電。本發(fā)明特別適合輸入電壓和輸出電壓接近的場合，并且又可以提供較強的驅(qū)動能力，顯著提升效率。因此本發(fā)明可以在保證低壓降和強驅(qū)動能力兩種性能的前提下，節(jié)省芯片面積，節(jié)約成本，并具有很強的可實施性。
文檔編號G05F1/56GK101615046SQ200910138350
公開日2009年12月30日 申請日期2009年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月9日
發(fā)明者王海波 申請人:南京微盟電子有限公司