一種寬耐壓范圍的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器及其芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低壓差線性穩(wěn)壓器，尤其涉及一種寬耐壓范圍的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器，同時(shí)也涉及采用該自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器的集成電路芯片，屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路的工藝集成度在不斷提高，但電路單元的耐壓等級(jí)卻是越來(lái)越低。例如，集成電路工藝為0.18um的電路單元，耐壓值通常都在2.5V左右。然而在電池供電的系統(tǒng)中，電源電壓大多維持在3?5V或者甚至更高，因此在高電壓的系統(tǒng)中，直接使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)處理的低壓工藝電路會(huì)被燒毀。
[0003]LDO(low dropout regulator,低壓差線性穩(wěn)壓器)通常用于電源管理系統(tǒng)中，一般直接取電于電源電壓。其功能就是把電源電壓調(diào)整到適用于內(nèi)部芯片的適用電壓范圍。眾所周知，一般低壓差線性穩(wěn)壓器中放大器采用恒定偏置電流的方式，使得放大器的增益和速度保持基本恒定。然而隨著電源電壓的不斷升高，可能會(huì)致使晶體管源、漏兩端電壓達(dá)到甚至超過(guò)其自身標(biāo)稱的耐壓值，使器件面臨燒毀的危險(xiǎn)。
[0004]參見(jiàn)圖1，傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器通常采用5管OTA運(yùn)算放大器。偏置電流I_b恒定，節(jié)點(diǎn)Vcom電壓基本保持不變。而隨著電源電壓Vdd的升高，偏置電流恒定進(jìn)而得出PMOS管M4的偏置壓差保持不變，從而使得節(jié)點(diǎn)Vbp隨著電源電壓同步升高。這樣，輸入對(duì)管M1、M2的源、漏兩端壓差Vds_pair可以由公式(I)計(jì)算得出
[0005]Vds_pair = Vdd-Vbp-Vcom = Vdd - Vtp - Vdsat ^ Vdd-1.1V (I)
[0006]其中，Vtp為PMOS管的開(kāi)啟電壓；假設(shè)|Vtp| =Vtn = 0.7V，電流鏡管子102B源、漏極飽和電壓Vdsat = 0.4V。由公式(I)可見(jiàn)，輸入對(duì)管Ml和M2的源、漏兩端壓差Vds_pair將隨著電源電壓Vdd而同步變化，而且變化幅度和Vdd的變化幅度基本一致。進(jìn)一步地，由上面公式(I)可知，以0.1Sum工藝下2.5V的標(biāo)稱安全耐壓值為例，電路設(shè)計(jì)就必須保證Vds_pair不能超過(guò)管子安全耐壓值2.5V，這樣可以推算出Vdd不能超過(guò)3.6V。所以，3.6V就是保證圖1中電路安全工作的電源電壓上限值。該上限值還遠(yuǎn)不能滿足5V系統(tǒng)電源電壓的應(yīng)用要求。
[0007]因此，如何通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)，使得由低壓工藝器件制造出來(lái)的電路能工作在遠(yuǎn)高于其自身工藝器件的標(biāo)稱的電源電壓，是目前設(shè)計(jì)低壓差線性穩(wěn)壓器電路所面臨的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問(wèn)題在于提供一種在低壓工藝條件下自適應(yīng)調(diào)整、具有寬耐壓范圍的低壓差線性穩(wěn)壓器。
[0009]本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問(wèn)題在于提供一種采用上述自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器的集成電路芯片。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案:
[0011]一種寬耐壓范圍的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器，包括電源電壓跟蹤器、電壓電流轉(zhuǎn)換器、誤差放大器、電流鏡電路以及動(dòng)態(tài)分壓器；其中，
[0012]所述電源電壓跟蹤器一端連接電源電壓，一端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器，用于跟隨電源電壓變化；
[0013]所述電壓電流轉(zhuǎn)換器將所述電源電壓跟蹤器電壓變化轉(zhuǎn)換成電流變化，，并將所述電流作為參考電流輸入至所述電流鏡電路
[0014]所述電流鏡電路的輸出端連接所述誤差放大器中兩個(gè)輸入場(chǎng)效應(yīng)管的源極，用于提供偏置電流；
[0015]所述誤差放大器中兩個(gè)負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接電源電壓；
[0016]每個(gè)所述輸入場(chǎng)效應(yīng)管與其相應(yīng)的負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管之間連接所述動(dòng)態(tài)分壓器，用于動(dòng)態(tài)承擔(dān)電源電壓施加于所述誤差放大器的壓降。
[0017]其中較優(yōu)地，所述電源電壓跟隨器采用PMOS管，所述PMOS管的源極連接電源電壓，漏極連接?xùn)艠O和所述電壓電流轉(zhuǎn)換器。
[0018]其中較優(yōu)地，所述電壓電流轉(zhuǎn)換器采用動(dòng)態(tài)電流源。
[0019]其中較優(yōu)地，所述電壓電流轉(zhuǎn)換器采用電阻元件。
[0020]其中較優(yōu)地，所述動(dòng)態(tài)分壓器兩端的壓降隨自身電流線性變化。
[0021]其中較優(yōu)地，所述動(dòng)態(tài)分壓器采用電阻分壓器。
[0022]其中較優(yōu)地，所述電流鏡電路將所述參考電流按鏡像倍數(shù)鏡像給所述誤差放大器。
[0023]其中較優(yōu)地，當(dāng)所述參考電流給定時(shí)，所述低壓差線性穩(wěn)壓器最高耐壓值由所述動(dòng)態(tài)分壓器的參數(shù)值與所述電流鏡電路的鏡像倍數(shù)的乘積所決定。
[0024]其中較優(yōu)地，所述電壓電流轉(zhuǎn)換器的參數(shù)根據(jù)所述參考電流以及所述低壓差線性穩(wěn)壓器最高耐壓值獲得。
[0025]一種集成電路芯片，其中采用上述的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器。
[0026]本發(fā)明所提供的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器能隨著電源電壓改變而自動(dòng)改變其偏置條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整誤差放大器中場(chǎng)效應(yīng)管的耐壓范圍，保證每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管所有不同端口間的電壓差不超出自身工藝標(biāo)稱電壓值，最終使產(chǎn)品能應(yīng)用于高出標(biāo)稱電源電壓的系統(tǒng)或芯片中。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為傳統(tǒng)低壓差線性穩(wěn)壓器的電路原理圖；
[0028]圖2為本發(fā)明中，低壓差線性穩(wěn)壓器的原理結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖3為本發(fā)明中，第一實(shí)施例的電路原理圖；
[0030]圖4為第一實(shí)施例中電流鏡電路采用多級(jí)管子的電路原理圖；
[0031]圖5為本發(fā)明中，第二實(shí)施例的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]參見(jiàn)圖1，傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器包括基準(zhǔn)電壓Vref、誤差放大器、反饋線路以及過(guò)通元件。過(guò)通元件(203)是LDO的核心之一，通常為PMOS管組成。該P(yáng)MOS管M6的源極直接連到電源電壓Vdd上，其柵極連接誤差放大器(201)的輸出端Vp，漏極為L(zhǎng)DO的輸出端Vout (306)。漏極與地之間連接負(fù)載與反饋電路的并聯(lián)通路，漏極與柵極之間有頻率補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路。補(bǔ)償電路包括米勒電容和電阻。反饋電路采用兩個(gè)串聯(lián)的電阻Rl和R2。兩個(gè)電阻的連接點(diǎn)電壓為誤差放大器輸入端的反饋電壓Vref。通過(guò)過(guò)通元件(203)，才得以把誤差放大器的輸出端Vout (306)和電源電壓Vdd(301)隔離開(kāi)，從而使得LDO的輸出端Vout的電壓值與Vdd的數(shù)值無(wú)關(guān)。Vout取決于輸入?yún)⒖茧妷篤ref和反饋線路Rl及R2 (202)的數(shù)值，即
[0034]Vout = Vref* (1+R1/R2) (2)。
[0035]參見(jiàn)圖2，本發(fā)明所提供的寬耐壓范圍的自適應(yīng)低壓差線性穩(wěn)壓器在傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整電路。該自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整電路包括電源電壓跟蹤器、電壓電流轉(zhuǎn)換器、電流鏡電路以及動(dòng)態(tài)分壓器。其中，電源電壓跟蹤器一端連接電源電壓，一端連接電壓電流轉(zhuǎn)換器，用于跟隨電源電壓變化；電壓電流轉(zhuǎn)換器連接電流鏡電路輸入端，用于將變化的電源電壓轉(zhuǎn)化成變化的電流；電流鏡電路的輸出端連接誤差放大器中兩個(gè)輸入場(chǎng)效應(yīng)管的源極，用于提供偏置電流；誤差放大器中兩個(gè)負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接電源電壓；每個(gè)輸入場(chǎng)效應(yīng)管與其對(duì)應(yīng)的負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管之間連接動(dòng)態(tài)分壓器，用于動(dòng)態(tài)承擔(dān)電源電壓施加于誤差放大器的壓降。
[0036]在低壓差線性穩(wěn)壓器進(jìn)行工作時(shí)，電源電壓跟蹤器跟隨電源電壓VDD的變化。電壓電流轉(zhuǎn)換器將變化的電壓轉(zhuǎn)換成變化的電流，然后經(jīng)過(guò)電流鏡電路鏡像傳導(dǎo)給誤差放大器，并作為誤差放大器的偏置尾電流。動(dòng)態(tài)分壓器串聯(lián)與誤差放大器輸入對(duì)管的漏極和其負(fù)載管之間，當(dāng)電源電VDD升高時(shí)，動(dòng)態(tài)分壓器將分擔(dān)掉由于電源電壓VDD增加帶來(lái)的那部分壓降，且分擔(dān)的電壓與電源電壓的變化成比例，進(jìn)而保證誤差放大器中的所有管子不同端口間電壓差維持在其工藝所規(guī)定的安全額定工作電壓范圍內(nèi)。
[0037]第一實(shí)施例
[0038]參見(jiàn)圖3，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整電路包括電源電壓跟隨器、動(dòng)態(tài)電流源101，電流鏡電路102和動(dòng)態(tài)分壓器103(103A/103B)。其中，電源電壓跟隨器采用PMOS管Pl ；PM0S管Pl的源極連接電源電壓，漏極連接?xùn)艠O和動(dòng)態(tài)電流源101。本實(shí)施例中，電壓電流轉(zhuǎn)換器為動(dòng)態(tài)電流源101，用于將電源電壓的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化，處于參考電流產(chǎn)生路徑上。本實(shí)施例中，電流鏡電路102電流采用最簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)柵極對(duì)接的NMOS管NI和N2。NI的柵極和漏極相連接，漏極連接動(dòng)態(tài)電流源101，源極接地。N2的源極接地，漏極連接誤差放大器。當(dāng)然電流鏡電路102的輸出端還可以選用多個(gè)NMOS管并聯(lián)而成，具體可以參見(jiàn)圖4。誤差放大器放大輸出兩個(gè)輸入信號(hào)的差值。本發(fā)明中誤差放大器包括兩個(gè)負(fù)載PMOS對(duì)管:P2和P3 ;兩個(gè)輸入NMOS對(duì)管:N3和N4。其中P2和P3兩個(gè)PMOS管的源極連接電源電壓Vdd，柵極對(duì)接。P2的漏極一方面連接?xùn)艠O，另一方面連接動(dòng)態(tài)分壓器103B的一端。P3的漏極一方面連接動(dòng)態(tài)分壓器1