一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器，其中所述串聯(lián)導(dǎo)通晶體管的高阻抗電極（集電極/漏極）連接到其輸出端子，一個分流晶體管的低阻抗電極（發(fā)射極/源極）連接到其輸出端子。該電路配置確保分流晶體管始終導(dǎo)通，低阻抗電極將穩(wěn)定電路的操作，而無需任何外部元件。該電路可用雙極或CMOS形式制作，并采用低壓降配置。
【專利說明】一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及穩(wěn)壓器，特別是三端穩(wěn)壓器。這些器件響應(yīng)一個不穩(wěn)定的輸入電壓，并提供一個輸出電壓，對負(fù)載的變化或輸入電壓的變化的響應(yīng)變化不顯著。這些器件采用的電路，在寬的溫度范圍內(nèi)，提供基本恒定的輸出電壓。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知的是，當(dāng)穩(wěn)壓器是從功率晶體管的發(fā)射極輸出時，穩(wěn)壓器有最好的動態(tài)穩(wěn)定性。例如，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的LM117系列和LM140系列設(shè)備，就是相對穩(wěn)定的，無需外部元件。相反，當(dāng)從功率晶體管的集電極輸出時，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的LM120系列和LM137系列器件通常是這樣的，如果需要穩(wěn)定性，相對大的電容必須被連接到輸出端。如果是鉭和10-25微鋁的話，LMl20和LM137規(guī)格要求至少一個微法的輸出電容。較高的值是優(yōu)選的。
[0003]雖然上述設(shè)備都是雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，同樣的考慮也適用于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)。特別的是，有用的穩(wěn)壓器正在使用互補MOS (CMOS)器件構(gòu)造。在CMOS中，上述表示適用于功率晶體管的源極和漏極。當(dāng)功率晶體管的源極提供輸出時，電路是相對穩(wěn)定的。然而，當(dāng)從功率晶體管的漏極輸出時，必須采用一個較大的輸出電容。
[0004]了解到上述表達(dá)的不穩(wěn)定性的原因，是由于反饋環(huán)路增益。在一個穩(wěn)壓器中，功率晶體管是一個被引用到一個恒定電壓上的高增益負(fù)反饋回路的一部分。當(dāng)功率晶體管的發(fā)射極/源極提供輸出，電壓增益就會小于1，并且電路趨于穩(wěn)定。當(dāng)集電極/漏極提供輸出時，電壓增益取決于負(fù)載阻抗，可以是相當(dāng)大。一個較大的輸出電容，因此需要限制交流增益，以便實現(xiàn)穩(wěn)定。
[0005]在下面的討論中，被稱為雙極型晶體管的發(fā)射極和MOS晶體管的源極為低阻抗電極。雙極型晶體管的集電極和MOS晶體管的漏極為高阻抗電極，這些特性提供功能等同的設(shè)備。雙極型晶體管的基極和MOS晶體管的柵極為控制電極，因為它們功能上是等價的。
[0006]另一個電源特性就是它的電壓差。這被定義為輸入輸出的電壓差，此時該電路停止對輸入電壓的進一步降低的調(diào)節(jié)。作為一個實際問題，低壓降是一種優(yōu)點，被視為重要的電池供電應(yīng)用。通常情況下，對于以上提及的設(shè)備，漏失電壓是2伏的順序，且與溫度呈負(fù)相關(guān)。以上所有的指定設(shè)備系列采用達(dá)林頓復(fù)合晶體管，它連接功率輸出或?qū)ňw管。這意味著，輸入的達(dá)林頓晶體管的基極，在發(fā)射極之上，必須至少是的兩倍，集電極必須至少有一個甚小口徑終端在這上面。然而，LM120需要Via+甚小口徑終端。在較低的操作溫度，這通常是約2伏的電壓降。該壓降有時也被稱為“凈空高度”，因為穩(wěn)壓器輸入必須足夠高,這樣它會容納加上電壓差的輸出電壓。
[0007]低壓降穩(wěn)壓器的例子是LM2930和LM2931系列設(shè)備。它們的額定電流分別是150毫安和100毫安，并且它們在額定電流時都有一個小于0.6伏的額定功率差。由于它們的輸出是一個PNP晶體管的集電極，在它們的輸出端，它們都需要電容器。最小電容值分別規(guī)定在10和22微法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個目的是增加低壓降穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。
[0009]本發(fā)明進一步的目的是在穩(wěn)壓器中采用一個晶體管，其中晶體管的高阻抗端子連接到穩(wěn)壓器的輸出，而且其中一個晶體管的低阻抗端子也被連接到輸出端，以保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
這些目的是以下列方式實現(xiàn)的。在一個穩(wěn)壓器電路中，傳輸晶體管的低阻抗電極(發(fā)射極/源極)連接到正輸入端，高阻抗電極(集電極/漏極)連接到其輸出端。通常情況下，這種晶體管是一個雙極性PNP或P溝道MOS晶體管。控制電極(基極/柵極)在電勢低于電源輸入電壓時工作以致傳輸晶體管被打開。此連接提供最低電壓差，但沒有任何其他的穩(wěn)定性，通常需要較大的輸出電容。為了提供所需的穩(wěn)定性，一個第二或分流晶體管提供其低阻抗電極(發(fā)射極/源極)連接到穩(wěn)壓器的輸出端，它的高阻抗(集電極/漏極)連接到穩(wěn)壓器的返回端。分流晶體管被作為穩(wěn)壓器的負(fù)反饋回路的一部分，并提供裝置，以確保所有操作條件下，它是導(dǎo)電的。穩(wěn)壓器電路包括一個溫度穩(wěn)定的參考電壓發(fā)生器，被稱合以驅(qū)動一個第一運算放大器(運算放大器)，這反過來又被耦合到分流晶體管的控制電極(基極/柵極)。一個電阻器和分流晶體管的高阻抗電極(集電極/漏極)串聯(lián)耦合，并耦合到一個具有輸入偏移電壓的第二運算放大器上。這第二運算放大器的輸出端被耦合到傳輸晶體管的控制電極(基極/柵極)。因此，穩(wěn)壓器包括一個高增益的反饋回路，它具有參考發(fā)生器的放大器，分流晶體管，兩個運算放大器和傳輸晶體管。由于和分流晶體管串聯(lián)的電阻被耦合到第二運算放大器的輸入端，它兩端的電壓必須等于第二運算放大器的偏移電壓。因此，在整體反饋回路中的一個反饋回路在運行。這種次級反饋回路，確保分流晶體管始終打開，且其低阻抗電極(發(fā)射極/源極)將運作來穩(wěn)定穩(wěn)壓器。由于傳輸晶體管只涉及單個晶體管，所以漏失電壓被減至最小。
[0011]對比專利文獻:CN200993746Y低壓降穩(wěn)壓器 200620172920.2，CN201936213U 低壓降穩(wěn)壓器201020687789.X。
[0012]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是本發(fā)明的電路的原理方框圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的電路的詳細(xì)原理圖。
[0014]【具體實施方式】:
應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)下面的描述中被定向到一個CMOS結(jié)構(gòu)時，本發(fā)明也適用于雙極型晶體管電路。例如，在所示的P溝道晶體管中，一個PNP雙極型晶體管可以被取代，在所示的N溝道晶體管中，一個NPN型雙極型晶體管可以被取代。凡這樣做時，雙極型晶體管的集電極替代MOS晶體管的漏極，發(fā)射極替代源極，以及基極替代柵極。傳統(tǒng)的CMOS制造是為了優(yōu)選實施例。對于同樣的雙極性建設(shè)，傳統(tǒng)的單片式，外延，PN結(jié)隔離處理是首選。此外，雖然所示的CMOS電路和N阱CMOS有關(guān)，但是各種組件可以被制造為P阱器件。在這后一種情況下，所有示出的晶體管元件可以被補充，電源的極性可以逆轉(zhuǎn)。
[0015]在圖1中，基本要素以原理方框圖的形式列出。電源輸入端正極接端子10，負(fù)極連接到接地端11。穩(wěn)壓輸出出現(xiàn)在端子12。串聯(lián)導(dǎo)通的P溝道晶體管13連接在端子10和12之間。由于晶體管13的源極被連接到端子10，它的柵極將工作在一個較低的電位，穩(wěn)壓器漏失電位將被最小化。在所示的電路中，漏失電位可以是一個電壓的一小部分那么小。然而，晶體管13的漏極連接到輸出端子12，就它本身而言，這樣的配置是不穩(wěn)定的。因此，需要某種形式的穩(wěn)定。分流P溝道晶體管14的源極連接到輸出端子12，并且其漏極返回到地面。由于晶體管14的源極是低阻抗的電極，它將穩(wěn)定該電路。晶體管13和14顯然可以換成雙極型PNP晶體管，其被連接的發(fā)射極代替源極，連接的集電極代替漏極。
[0016]參考電壓發(fā)生器15研發(fā)了一個溫度穩(wěn)定的帶隙參考電壓，包含一個電壓分壓器，響應(yīng)一個在端子12上的穩(wěn)定的電壓。參考電壓發(fā)生器15驅(qū)動運算放大器16，進而驅(qū)動晶體管14的柵極。電阻器17將晶體管14的漏極返回到地面，使晶體管14可以作為一個共源極放大器。通過一個內(nèi)部開發(fā)的偏移電壓源19，運算放大器18被直接耦合到電阻器17上。偏移量的極性是這樣的，當(dāng)運算放大器18的輸入端在相同的電位，偏移電壓作為晶體管14的漏極的一個小的正電位，出現(xiàn)在電阻器17兩端。運算放大器18的輸出端驅(qū)動晶體管13的柵極，這反過來又提供了連接到端子12上的任何負(fù)載(未示出)所需的所有電流。此外，晶體管13也提供了 流過晶體管14的任何電流，附加由參考電壓產(chǎn)生器15產(chǎn)生的靜態(tài)電流。該電路設(shè)置端子12的電位在所需的值上。因此，圖1的組成部分在端子12周圍形成了一個整體的負(fù)反饋回路，驅(qū)動端子12到一個恒定的電壓電平，運放16的輸入端也在相同的電位。
[0017]保持晶體管14的導(dǎo)通，是通過負(fù)反饋環(huán)路內(nèi)得負(fù)反饋回路。運算放大器18與晶體管13—起，作為一個共源極放大器來運行，設(shè)置晶體管14導(dǎo)通，使得電阻器17兩端的電壓降正好等于運算放大器18的偏移電壓。晶體管14的漏極周圍的這種反饋回路包括一個反轉(zhuǎn)，因此是負(fù)反饋。端子12周圍的整體的穩(wěn)壓器反饋回路包括參考電壓發(fā)生器15，運算放大器16，分流晶體管14，運算放大器18，串聯(lián)傳輸晶體管13。這個循環(huán)包括三個反轉(zhuǎn)(分別是運算放大器16，晶體管14和晶體管13)，所以它是負(fù)反饋，并以硅的帶隙作參考。下面給出的示例中，硅的帶隙基準(zhǔn)電壓是1.2伏，廠_^是2.5伏，V.是可操作的，降到2.6伏。這意味著，無負(fù)載時的漏失電壓為0.1伏。圖2是一個CMOS穩(wěn)壓器的示意圖。這些元素是那種在N阱CMOS發(fā)現(xiàn)的，其中所有的P溝道晶體管在P型硅襯底上被制成PN結(jié)隔離N阱。所有的N溝道器件通常被制成P型襯底，因此反向柵極(圖中未示出)被連接到負(fù)電源輸入端11。涉及圖1的各種元素，使用相同的標(biāo)號。
[0018]雙極型晶體管24和25是那些通常寄生到CMOS器件上的元素。在這樣一個PNP晶體管里，基極是N阱，集電極用于基底，它在負(fù)電源電位。發(fā)射極是由一個P溝道晶體管的源極或漏極組成。這種寄生晶體管有比較大的電流增益特性。由于集電極被用于基底，這樣的晶體管必須在共集電極配置里運行。
[0019]參考電壓發(fā)生器15被耦合到輸出端12，包括一個連同帶隙基準(zhǔn)電路一起的電壓分壓器。電阻器21和22連接在端子12和接地端(端子11)之間，形成一個分壓器。專用集電極的寄生PNP晶體管24和25，他們的基極返回到節(jié)點23。電阻器26-29把晶體管24和25的發(fā)射極返回到端子12。晶體管24和25的電流密度是成比例的，于是晶體管24在比晶體管25高的電流密度下運作。使晶體管25 N倍大于晶體管24，且通過匹配電阻26和27，在相同的發(fā)射極電流下運行它們，這是最簡單的做法。另外，晶體管24和25可以被匹配，在不同的電流下運行。按比率放大或縮小電阻26和27，就可以做到。此外，晶體管24和25可以采用比例電流來成比例放大或縮小。生成的出現(xiàn)在電阻29兩端。這個值符合下列關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器,其特征是:它具有一個不穩(wěn)定的輸入電源端子，一個穩(wěn)定的輸出電源端子和電源返回端子，所述電路由晶體管組成，每一個晶體管都具有受控制的電流流動的高阻抗和低阻抗的電極，并且電流控制電極，所述電路包括:串聯(lián)導(dǎo)通晶體管的低阻抗電極，連接到不穩(wěn)定的輸入電源端子，其高阻抗電極連接到穩(wěn)定的輸出電源端子和控制電極；裝置是由穩(wěn)定的輸出電壓端子驅(qū)動，并且連接到串聯(lián)導(dǎo)通晶體管的控制電極，因此整體上產(chǎn)生一種負(fù)反饋回路來制定一個控制電位，保持穩(wěn)定的輸出電源端子在一個恒定的電位水平，基本上是獨立的溫度，輸入電壓和輸出電源端子電流；一個分流晶體管具有連接到穩(wěn)定的電源輸出端子的低阻抗電極，用于返回它的高阻抗電極給電源返回端子的裝置，和一個控制電極；用于響應(yīng)分流晶體管中流動的電流的裝置，連接到串聯(lián)導(dǎo)通晶體管的所述控制電極，以形成一個內(nèi)部的負(fù)反饋回路，在整體的負(fù)反饋回路中，內(nèi)部負(fù)反饋回路可用來保持在分流晶體管中流動的電流恒定，穩(wěn)壓電路也從而穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器，其特征是:用來返回分流晶體管的高阻抗電極給電源返回端子的裝置，包括:一個串聯(lián)電阻，耦合在分流晶體管的所述高阻抗電極和電源返回端子之間，連接到一個運算放大器的輸入端子，該運算放大器具有一個連接到串聯(lián)導(dǎo)通晶體管的控制電極的輸出端子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器，其特征是:運算放大器包括用來產(chǎn)生一個輸入偏移電位的裝置，從而使偏移電位在串聯(lián)電阻兩端出現(xiàn)，從而決定分流晶體管的導(dǎo)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器，其特征是:電路制作中，采用CMOS結(jié)構(gòu)，串聯(lián)導(dǎo)通晶體管是P溝道晶體管，其漏極連接到穩(wěn)定的輸出電源端子，分流晶體管是P溝道晶體管，其源極連接到穩(wěn)定的輸出電源端子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穩(wěn)定的低壓降穩(wěn)壓器，其特征是:其中電路制作中，采用雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，串聯(lián)導(dǎo)通晶體管是一個PNP晶體管，其集電極連接到穩(wěn)定的輸出電源端子，分流晶體管是一個PNP晶體管，其發(fā)射極連接到穩(wěn)定的輸出電源端子。
【文檔編號】G05F1/56GK103760941SQ201310601698
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司