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带有工艺和温度自动调整的LDO

阅读:393发布:2023-02-03

专利汇可以提供带有工艺和温度自动调整的LDO专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且带有工艺和 温度 自动调整的LDO,属于集成 电路 领域,本 发明 为解决常见的带有工艺和温度调整的LDO调整 精度 低,不能很好的随工艺和温度的变化而变化的问题。本发明包括LDO主单元、温度调整电路和工艺调整电路;LDO主单元的调整 端子 接入温度调整电路的温度调整 信号 和工艺调整电路的工艺调整信号;在 环境温度 超过温度 阈值 时,温度调整电路控制LDO主单元的 输出 电压 随温度的增加而增加;工艺调整电路控制 运算 放大器 A1的 反相输入端 产生零温度系数电压,以调整芯片整体工艺的偏差,芯片整体工艺偏差为偏大时,LDO主单元的输出电压随之增大,反之减小。,下面是带有工艺和温度自动调整的LDO专利的具体信息内容。

1.带有工艺和温度自动调整的LDO,包括LDO主单元,LDO主单元包括运算放大器A1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、PMOS晶体管MP5、电流源I2和NPN三极管Q1;运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2、NPN三极管Q1接地;还通过电流源I2接电源VDD;运算放大器A1的同相输入端通过电阻R4接地,还通过电阻R3同时连接输出端子Vout;运算放大器A1的输出端通过PMOS晶体管MP5分别连接电源VDD和输出端子Vout;
其特征在于,还包括温度调整电路和工艺调整电路;运算放大器A1的反相输入端、电流源I2的负端和电阻R2的公共端子作为调整端子,所述调整端子接入温度调整电路的温度调整信号和工艺调整电路的工艺调整信号;
环境温度超过温度阈值时,温度调整电路控制LDO主单元的输出电压随温度的增加而增加;
工艺调整电路控制运算放大器A1的反相输入端产生零温度系数电压,以调整芯片整体工艺的偏差,芯片整体工艺偏差为偏大时,LDO主单元的输出电压随之增大,反之减小。
2.根据权利要求1所述带有工艺和温度自动调整的LDO,其特征在于,温度调整电路包括负温度系数电流源ICTAT2、正温度系数电流源IPTAT、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、PMOS晶体管MP6和PMOS晶体管MP7;
NMOS晶体管MN1的栅极同时连接其漏端、NMOS晶体管MN2的栅极和负温度系数电流源ICTAT2的负端;
NMOS晶体管MN2的漏端同时连接NMOS晶体管MN3的漏端及其栅极、NMOS晶体管MN4的栅极、正温度系数电流源IPTAT的负端;
NMOS晶体管MN4的漏端同时连接PMOS晶体管MP6的漏端及其栅极、PMOS晶体管MP7的栅极;
NMOS晶体管MN1、MN2、MN3、MN4的源端同时连接GND;
负温度系数电流源ICTAT2的正端、正温度系数电流源IPTAT的正端、PMOS晶体管MP6的源端和PMOS晶体管MP7的源端同时连接电源VDD;
PMOS晶体管MP7的漏端连接LDO主单元的调整端子。
3.根据权利要求1或2所述带有工艺和温度自动调整的LDO,其特征在于,工艺调整电路包括运算放大器A0、负温度系数电流源ICTAT1、电流源I0、电流源I1、电流源I3、电阻R1、芯片外测试电阻REXT、芯片内电阻RIN、电容C1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3和PMOS晶体管MP4;
PMOS晶体管MP1的栅极同时连接运算放大器A0的输出端、电阻R1的一端和PMOS晶体管MP2的栅极;电阻R1的另一端连接电容C1的一端;
PMOS晶体管MP1的漏端同时连接电容C1的另一端、电流源I1的负端、芯片内电阻RIN的一端和运算放大器A0的正相输入端;
PMOS晶体管MP2的漏端同时连接PMOS晶体管MP3的栅极和漏端、PMOS晶体管MP4的栅极和电流源I3的正端;
PMOS晶体管MP4的漏端同时连接LDO主单元的调整端子;
运算放大器A0的反相输入端同时连接芯片外测试电阻REXT的一端、负温度系数电流源ICTAT1的负端和电流源I0的负端;
负温度系数电流源ICTAT1的正端、电流源I0的正端、电流源I1的正端、PMOS晶体管MP1、MP2、MP3、MP4的源端同时连接电源VDD;
芯片外测试电阻REXT的另一端、芯片内电阻RIN的另一端和电流源I3的负端同时连接GND。

说明书全文

带有工艺和温度自动调整的LDO

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路领域,涉及一种带有工艺和温度自动调整的LDO。

背景技术

[0002] 在集成电路芯片内部有时需要使用LDO(Low Dropout Regulator的缩写,低压差线性稳压器)将标准的电源电压进行转换,达到稳定输出电压,增加电源抑制比的目的。并且能降低芯片功耗和满足晶体管使用限制的要求。特殊的LDO中加入温度调整模,当集成电路芯片随环境温度升高,性能下降时,温度调整模块能够调整LDO的输出电压升高,以达到提高芯片性能的效果。特殊的LDO中加入工艺调整模块,当集成电路芯片在制造过程中出现工艺误差时,能够调整LDO的输出电压。
[0003] 图1给出了常用的带有工艺和温度调整LDO的电路结构。图1中,运算放大器A3、PMOS晶体管MP8、电阻R5、电阻R6组成了简单的LDO结构。
[0004] 运算放大器A3的反相输入电压可以表示为:
[0005] Vn=(IPTAT+ICTAT)·R7+Vbe_Q2  (1)
[0006] 其中IPTAT为电流源所产生的随温度增加而增加的电流,其电流大小可以由2N个Sp开关Sp1,Sp2,...,Sp2n人为控制;ICTAT为电流源所产生的随温度增加而减小的电流,其电流大小可以由2N个Sc开关Sc1,Sc2,...,Sc2n人为控制;R7为电阻R7电阻值;Vbe_Q2为NPN晶体管Q2的基极发射极电压;
[0007] 由公式(1)可得出,Vn是一个能够人为可调整,具有温度系数的电压,并且其函数图像为单调一次函数;
[0008] 运算放大器A3的正相输入端电压可以表示为:
[0009] Vp=IMP8·R6  (2)
[0010] 其中IMP8为PMOS晶体管PM8所流过的电流,其大小由运算放大器A3输出端控制;R6为电阻R6的电阻值;
[0011] LDO的输出电压可以表示为:
[0012] Vout=IMP8·(R6+R5)  (3)
[0013] 利用运算放大器的虚短原理,即:
[0014] Vp≈Vn  (4)
[0015] IMP8·R6=(IPTAT+ICTAT)·R7+Vbe_Q2  (5)
[0016]
[0017] LDO的输出电压还可以表示为:
[0018]
[0019] 由式子(7)可知,LDO的输出电压大小可以由IPTAT+ICTAT的电流大小控制,且具有单一的斜率。
[0020] 实际应用中,常见的带有工艺和温度调整LDO需要在芯片制造完成后和芯片使用过程中,人工测试LDO的输出电压随工艺和温度的变化,通过设置开关Sp、Sc的导通个数来调整LDO的输出电压。这类调整方式过程复杂、精确度低,无法满足灵活多变的供电需求。

发明内容

[0021] 本发明目的是为了解决常见的带有工艺和温度调整的LDO,其输出电压需人工测试之后手动调整,并且存在该过程复杂,调整精度低,不能很好的随工艺和温度的变化而变化的问题,提供了一种带有工艺和温度自动调整的LDO。
[0022] 本发明所述带有工艺和温度自动调整的LDO,包括LDO主单元,LDO主单元包括运算放大器A1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、PMOS晶体管MP5、电流源I2和NPN三极管Q1;运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2、NPN三极管Q1接地;还通过电流源I2接电源VDD;运算放大器A1的同相输入端通过电阻R4接地,还通过电阻R3同时连接输出端子Vout;运算放大器A1的输出端通过PMOS晶体管MP5分别连接电源VDD和输出端子Vout;
[0023] 其特征在于,还包括温度调整电路和工艺调整电路;运算放大器A1的反相输入端、电流源I2的负端和电阻R2的公共端子作为调整端子,所述调整端子接入温度调整电路的温度调整信号和工艺调整电路的工艺调整信号;
[0024] 在环境温度超过温度阈值时,温度调整电路控制LDO主单元的输出电压随温度的增加而增加;
[0025] 工艺调整电路控制运算放大器A1的反相输入端产生零温度系数电压,以调整芯片整体工艺的偏差,芯片整体工艺偏差为偏大时,LDO主单元的输出电压随之增大,反之减小。
[0026] 优选地,温度调整电路包括负温度系数电流源ICTAT2、正温度系数电流源IPTAT、NMOS晶体管MN1、NMOS晶体管MN2、NMOS晶体管MN3、NMOS晶体管MN4、PMOS晶体管MP6和PMOS晶体管MP7;
[0027] NMOS晶体管MN1的栅极同时连接其漏端、NMOS晶体管MN2的栅极和负温度系数电流源ICTAT2的负端;
[0028] NMOS晶体管MN2的漏端同时连接NMOS晶体管MN3的漏端及其栅极、NMOS晶体管MN4的栅极、正温度系数电流源IPTAT的负端;
[0029] NMOS晶体管MN4的漏端同时连接PMOS晶体管MP6的漏端及其栅极、PMOS晶体管MP7的栅极;
[0030] NMOS晶体管MN1、MN2、MN3、MN4的源端同时连接GND;
[0031] 负温度系数电流源ICTAT2的正端、正温度系数电流源IPTAT的正端、PMOS晶体管MP6的源端和PMOS晶体管MP7的源端同时连接电源VDD;
[0032] PMOS晶体管MP7的漏端连接LDO主单元的调整端子。
[0033] 优选地,工艺调整电路包括运算放大器A0、负温度系数电流源ICTAT1、电流源I0、电流源I1、电流源I3、电阻R1、芯片外测试电阻REXT、芯片内电阻RIN、电容C1、PMOS晶体管MP2、PMOS晶体管MP3和PMOS晶体管MP4;
[0034] PMOS晶体管MP1的栅极同时连接运算放大器A0的输出端、电阻R1的一端和PMOS晶体管MP2的栅极;电阻R1的另一端连接电容C1的一端;
[0035] PMOS晶体管MP1的漏端同时连接电容C1的另一端、电流源I1的负端、芯片内电阻RIN的一端和运算放大器A0的正相输入端;
[0036] PMOS晶体管MP2的漏端同时连接PMOS晶体管MP3的栅极和漏端、PMOS晶体管MP4的栅极和电流源I3的正端;
[0037] PMOS晶体管MP4的漏端同时连接LDO主单元的调整端子;
[0038] 运算放大器A0的反相输入端同时连接芯片外测试电阻REXT的一端、负温度系数电流源ICTAT1的负端和电流源I0的负端;
[0039] 负温度系数电流源ICTAT1的正端、电流源I0的正端、电流源I1的正端、PMOS晶体管MP1、MP2、MP3、MP4的源端同时连接电源VDD;
[0040] 芯片外测试电阻REXT的另一端、芯片内电阻RIN的另一端和电流源I3的负端同时连接GND。
[0041] 本发明的有益效果:提出一种带有工艺和温度自动调整的LDO电路,改变常见带有工艺和温度调整的LDO使用手动调整输出电压的实现方式,能够使得LDO的输出电压能够自动随温度和工艺的变化而变化,已经通过了仿真结果验证。附图说明
[0042] 图1是常见带有工艺和温度自动调整的LDO的电路原理图;
[0043] 图2是本发明的带有工艺和温度自动调整的LDO原理框图
[0044] 图3是本发明的带有工艺和温度自动调整的LDO电路原理图;
[0045] 图4是本发明的LDO输出电压随温度变化图;
[0046] 图5是本发明的LDO输出电压随工艺变化图。

具体实施方式

[0047] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0048] 在阐述常见的带有工艺和温度调整的LDO电路中,由于电路中使用多个开关Sp控制IPTAT大小,Sc控制ICTAT大小,最终控制LDO输出电压的大小,在这个过程中需要先测试由工艺偏差和所需温度下的LDO输出电压,最终手动调整LDO输出电压,调整的精度差并且不能时刻作出相应的调整。
[0049] 本发明的带有工艺和温度自动调整的LDO电路,参见图3,其能够在芯片设计之初合理的设定温度转折点和片内外比较电阻的大小,以达到能根据芯片工作情况和工艺偏差,时时自动调整LDO输出,大大减小调整的难度,更加合理的优化了芯片性能。
[0050] 图3给出的带有工艺和温度自动调整的LDO电路的具体实施例,其中LDO主单元为温度、工艺调整对象,LDO主单元包括运算放大器A1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、PMOS晶体管MP5、电流源I2和NPN三极管Q1;运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2、NPN三极管Q1接地;还通过电流源I2接电源VDD;运算放大器A1的同相输入端通过电阻R4接地,还通过电阻R3同时连接输出端子Vout;运算放大器A1的输出端通过PMOS晶体管MP5分别连接电源VDD和输出端子Vout。
[0051] 温度调整电路和工艺调整电路的具体电路不再细述。
[0052] 温度调整电路的工作原理:
[0053] 将带有正温度系数的电流IPTAT和带有负温度系数的电流ICTAT2以一定的比例相加,该比例能够在芯片设计之初根据需求设计,相加后的电流通过镜像注入到A1的反相输入端,通过电阻R2产生随温度自动调整的输入电压,因此LDO的输出电压Vout亦随温度的变化而变化。
[0054] 1、当LDO工作在低温段时,电流源ICTAT2的起始电流大于电流源IPATA的起始电流,NMOS晶体管MN2镜像电流源ICTAT2的电流,在NMOS晶体管MN2的支路上,因为电流源IPATA的电流小于电流源ICTAT2的电流,因此无多余的电流流入NMOS晶体管MN3。PMOS晶体管MP7亦无电流流出。
[0055] 2、当电流源ICTAT2和电流源IPATA随温度变化时,存在一温度转折点(温度阈值),此时两束电流值相等,并且该转折点能够提前人为设置。
[0056] 3、当环境温度超过转折点温度时,电流源IPATA的电流大于电流源ICTAT2的电流。NMOS晶体管MN3有多余的电流流出。PMOS晶体管MP7亦有电流流出。并且该电流会随着温度的增加而增加。
[0057] 利用、并改写式子(7),LDO的输出电压关系式为:
[0058]
[0059] IMP7为PMOS晶体管MP7流出电流,I2为电流源I2流出电流。IMP7为分段线性电流,当环境温度达到转折点时,LDO的输出Vout将随温度的增加而增加。
[0060] 基于上述分析,可见本实施例温度调整电路可带来如下有益效果:
[0061] 温度调整电路输出的随温度升高而升高的电流,为分段函数,在某一温度转折点之前,输出电流随着温度的升高而保持平行,即不对LDO进行调整。在某一温度转折点之后,输出电流随着温度的升高而升高,对LDO进行调整。该方法能够在芯片工作环境温度达到温度转择点后才对LDO进行时时调整,大大减小了调整的复杂程度,并合理优化了芯片性能。
[0062] 工艺调整模块的工作原理:
[0063] 将带有负温度系数的电流ICTAT1通过一定的镜像方式产生带有正温度系数的电流,该电流通过电阻R2产生带有正温度系数的电压与NPN晶体管Q1的负温度系数电压Vbe综合,在A1的反相输入端产生零温度系数电压。通过运放A0去比较芯片内部电阻RIN和芯片测试电阻REXT的大小,相应的改变PMOS晶体管MP4注入到A1反相输入端的电流电压,进而使得LDO能够根据工艺偏差的大小,自行调整输出电压Vout。
[0064] 运算放大器A0的反相输入端Vn可以表示为:
[0065] Vn=(ICTAT1+I0)·REXT  (9)
[0066] 其中ICTAT1为电流源ICTAT1电流大小且具有负温度系数,I0为电流源I0电流大小,REXT为芯片外测试电阻REXT阻值。
[0067] 运算放大器A0的正相输入端Vp可以表示为:
[0068] Vp=(IMP1+I1)·RIN  (10)
[0069] 其中IMP1为PMOS晶体管MP1流过的电流,I1为电流源I1电流,RIN为芯片内电阻RIN阻值。
[0070] 利用运算放大器的虚短原理,即:
[0071] Vp≈Vn  (11)
[0072] (IMP1+I1)·RIN≈(ICTAT1+I0)·REXT  (12)
[0073]
[0074] 在式子(13)中设置I0=I1,并且假设没有工艺误差即REXT=RIN,因此式子(13)可以改写为:
[0075] IMP1≈ICTAT1  (14)
[0076] 因此电流IMP1和ICTAT1具有相同的负温度系数。
[0077] PMOS晶体管MP2镜像PMOS晶体管MP1所流过的电流,随着温度的增大,MP2的电流逐渐减小,电流源I3的电流大小不随温度变化,电流I3-ICTAT1随温度增大而增大,MP4的电流大小也随温度增大而增大。
[0078] 运算放大器A1的反相输入端Vn可以表示为:
[0079] Vn=(I2+I3-ICTAT1)·R2+Vbe_Q1  (15)
[0080] Vbe_Q1为负温度系数电压,(I2+I3-ICTAT1)·R2为正温度系数电压,两者相加合理设置式子(15)中的电流大小,可得到Vn为零温度系数电压。这个零温度系数电压在运算放大器A1的反相输入端产生,以防止由于工艺偏差而导致镜像电流的温度系数发生改变,最终无法产生零温参考电压。
[0081] 在芯片外设置电阻REXT的阻值和最初设计的片内电阻RIN大小相同,利用式子(13),设置I0=I1。
[0082] 1、当工艺出现误差时即电阻RIN大于REXT,电流IMP1相应的减小,PMOS晶体管MP2的支路电流减小,PMOS晶体管MP3、MP4的支路电流增大,利用式子(8)原理可得LDO的输出电压Vout将增大;
[0083] 2、当电阻RIN小于REXT,电流IMP1相应的增大,PMOS晶体管MP2的支路电流增大,PMOS晶体管MP3、MP4的支路电流减小,利用式子(8)原理可得LDO的输出电压Vout将减小;
[0084] 即RIN代表着芯片整体的工艺偏差,RIN增大,则LDO输出电压Vout增大;RIN减小,则LDO输出电压Vout减小。
[0085] 图4为LDO输出电压随温度变化图。图中曲线1为PMOS晶体管MP7所流过的电流,转折点出现在点M2横轴59℃,且该转折点能够根据需求自行设置,当温度升高时,其流过的电流逐渐增大。曲线2为LDO输出电压,转折点出现在点M4横轴59℃,当温度升高时,输出电压逐渐增大。
[0086] 图5为LDO输出电压随工艺变化图。图中RIN横坐标代表工艺变化的电阻。设置RIN=RRXT=1k,RIN>1kΩ时,LDO输出电压Vout增大,RIN<1kΩ时,LDO输出电压Vout减小。
[0087] 基于上述分析,可见本实施例工艺调整电路可带来如下有益效果:
[0088] 在A1反相输入端就近产生零温度系数电压能够最大程度的防止工艺偏差带来的非零温度系数电压影响,芯片内部电阻RIN和芯片测试电阻REXT大小比较产生的自动调整的电流电压,使得LDO输出电压也能跟随着自动调整,大大减小了调整的复杂程度,并合理优化了芯片性能。
[0089] 本发明提出的带有工艺和温度自动调整的LDO不同于常见相同类型电路需电路测试后手动调整LDO输出电压,而是能自动根据工艺和温度的变化自行调整,降低了调整过程的复杂程度,提高了输出电压的精度,给芯片提供一个合理的电源电压
[0090] 虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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