專利名稱：一種超低壓差以及大驅動能力的線性穩壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及模擬集成電路，屬于一種線性穩壓器，尤其是一種超低壓差及大驅動能力的 線性穩壓器。
背景技術：
線性穩壓器(Low Dropout Regulator)屬于電源管理IC的一種，廣泛應用于便攜式設備 中。相比于使用電感的DC-DC (直流-直流)轉換器，它具有成本低、噪聲低、和靜態電流 低等特點，同時由于沒有電感，也沒有EMI問題。
傳統線性穩壓器通常由PMOS輸出管，驅動電路(Buffer),電阻分壓的反饋網絡，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),該模塊產生一 個幾乎不隨溫度和電源等工作環境變化的參考電位。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 壓器輸出電壓發生變化時，誤差放大器的輸出也會相應的發生變化，調整PMOS輸出的導通 狀態(類似可變電阻)，進而保證輸出電壓回到穩定狀態。負載電容CL用于輔助控制這樣的 一個閉環反饋系統在各種應用情況下保持穩定，RL為等效負載電阻。
線性穩壓器的驅動能力由下式決定
7DS 〉(P; _ Km)，飽和區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管做驅動管可以比PMOS驅動管驅動能力顯著提高。 現有的NMOS輸出管的線性穩壓器電路圖2。 線性穩壓器壓降VDROPOUT為
線性穩壓器輸入電壓VIN下降到一定臨界值時，系統失去對輸出電壓的調節能力，
vdropout定義為臨界點處輸入電壓和輸出電壓的差值。
不考慮內部靜態電流損耗，線性穩壓器的轉化效率為
7 =
OOT xl00%
公式[3]
vIN為線性穩壓器輸入電壓，VOUT為線性穩壓器輸出電壓。
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。
意味著壓降VDROTOUT近似為
7z^(9尸06t《^gs + (尸)
其中VDS (P)是驅動級(Buffer)的壓降。 忽略驅動級(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，就非常有必要對現有線性穩壓器進行改進。
發明內容
本發明的目的，在于克服上述現有的線性穩壓器電路所存在的不足，從而提供一種采用 NMOS驅動管以及電荷泵升壓電路的線性穩壓器，可以同時滿足超低壓差及大驅動能力。
本發明提供了一種超低壓差以及大驅動能力的線性穩壓器，基于由驅動電路(Buffer)(3)，電阻分壓的反饋網絡(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壓器外部的電壓信號VIN,并為驅動電 路(Buffer) (3)供電。
在上述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，NMOS輸出管(7)被配置成柵極接驅 動電路(Buffer) (3)的輸出端，漏極接線性穩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動能力的線性穩壓器，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動能力的線性穩壓器，正向升壓電荷泵電路(8)，被配置成接 受線性穩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動能力的線性穩壓器，正向升壓電荷泵電路(8)的輸出電壓為 驅動電路(Buffer) (3)供電；
在上述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，驅動電路(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動能力的線性穩壓器，驅動電路(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動NMOS輸出管(7)的柵極。
在上述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，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，相比于的現有的PMOS驅動的線性穩壓器和單獨NMOS驅動 的線性穩壓器，同時引入NMOS驅動管以及電荷泵升壓電路，可以同時兼有NMOS較PMOS 的強驅動能力，以及線性穩壓器低的壓降兩個優點，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動能力，顯著提升效率。因此本發明可以在保證以上兩種 性能的前提下，節省芯片面積，節約成本，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明的各種其它目的、特征和優點。
圖1是現有的PMOS線性穩壓器原理圖 圖2是現有使用NMOS的線性穩壓器
圖3是本發明使用的帶正向升壓電荷泵的NMOS增強驅動線性穩壓器 圖4是本發明使用的2倍正向電荷泵的標準電路
具體實施例方式
本發明提供了一種超低壓差以及大驅動能力的線性穩壓器(圖3)，基于由驅動電路 (Buffer) (3)，電阻分壓的反饋網絡(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壓器外部的電壓信號VIN，并為驅動電 路(Buffer) (3)供電。
通過引入電荷泵電路(Chargepump)來提升NMOS驅動管柵電位，可以很好解決采用 NMOS導致線性穩壓器壓降高的問題，并且可以提升驅動能力。
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個小寄生電容和環形振蕩器，就可以 在CMOS工藝中很好實現升壓功能。
圖4中INV1 INV5反相器構成環形振蕩器，輸出控制信號O和O，分別控制開關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，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壓器，相比PMOS輸出管的 線性穩壓器和普通NMOS輸出管的線性穩壓器，同樣芯片尺寸下，可以顯著提升電流驅動能 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， 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。 下面結合圖3介紹本發明的工作工程
超低壓差以及大驅動能力的線性穩壓器包括NMOS輸出管，驅動電路(Buffer),電阻分 壓的反饋網絡，誤差放大器，基準電路，負載以及正向升壓電荷泵電路。
電阻分壓的反饋網絡連接于NMOS輸出管以及誤差放大器之間，根據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。反饋網絡 采用電阻Rl和R2分壓電阻構成，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動電路(Buffer),起到控制NMOS輸出管柵電壓，進而穩定輸出電壓。
驅動電路(Buffer)是用來直接驅動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，必須加驅動電路(Buffer)。另外本例驅動電路采用 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， 從而保證該線性穩壓器的超低壓差以及大驅動能力。
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壓器外部的電壓信號VIN，經過升壓操作，輸出電壓為 N (N〉l)倍的VIN，艮卩N承VIN，并為驅動電路(Buffer) (3)供電，從而提升NMOS驅動 管柵電位，可以很好解決采用NMOS導致線性穩壓器壓降高的問題，并且可以提升驅動能力。
本發明具有很多優點。相比于的現有的PMOS驅動的線性穩壓器和單獨NMOS驅動的線 性穩壓器，同時引入NMOS驅動管以及電荷泵升壓電路，可以同時兼有NMOS較PMOS的 強驅動能力，以及線性穩壓器低的壓降兩個優點，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動能力，顯著提升效率。因此本發明可以在保證以上兩種性 能的前提下，節省芯片面積，節約成本，并具有很強的可實施性。
以上實施例僅供說明本發明之用，而非對本發明的限制，有關技術領域的技術人員，在 不脫離本發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方 案也應該屬于本發明的范疇之內，應由各權利要求限定，而納入權力要求的范圍之內。
權利要求
1、一種超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，基于由驅動電路(Buffer)(3)，電阻分壓的反饋網絡(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壓器外部的電壓信號VIN，并為驅動電路(Buffer)(3)供電。
2、 根據權利要求1所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，其特征在于，所述NMOS 輸出管(7)被配置成柵極接驅動電路(Buffer) (3)的輸出端，漏極接線性穩壓器外部的電 壓信號VIN，源極接負載(5)和電阻分壓的反饋網絡(4)共同的VOUT輸出端，并且襯底 和源極相連。
3、 根據權利要求2所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，其特征在于NMOS輸 出管(7)在制作中必須采用P阱工藝。
4、 根據權利要求1所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，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、 根據權利要求4所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，其特征在于，正向升壓 電荷泵電路(8)的輸出電壓為驅動電路(Buffer) (3)供電；
6、 根據權利要求l所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，其特征在于，驅動電路 (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、 根據權利要求6所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，其特征在于，驅動電路 (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動NMOS輸出管(7)的柵極。
8、 根據權利要求6所述的超低壓差及大驅動能力的線性穩壓器，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動能力的線性穩壓器，基于由驅動電路(Buffer)，電阻分壓的反饋網絡，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壓器外部的電壓信號VIN，并為驅動電路(Buffer)供電。本發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動能力，顯著提升效率。因此本發明可以在保證低壓降和強驅動能力兩種性能的前提下，節省芯片面積，節約成本，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 優先權日2009年5月9日
發明者王海波 申請人:南京微盟電子有限公司