专利名称：用于集成电路的串联稳压电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稳压电源电路，特别是涉及一种用于集成电路的串联稳压电源电路。属于串联稳压电源电路和集成电路技术领域，背景技术片上系统(SOC)是集成电路发展的热点之一，目前，单片集成电路不仅集成了存储器和控制逻辑电路，甚至包括射频电路等模块。片上系统的实现，不但在提高集成度的基础上大大降低了成本，而且通过片上互连各功能模块，减少了中间环节，有效提升了芯片性能。正是由于片上系统技术的发展，使得非接触射频卡类集成电路等芯片的实现成为可能。通常将控制逻辑电路、模拟电路等统称为消耗电源的负载电路，单个片上系统的各种负载电路对电源的要求差异很大，为了实现片上互连，片上电源设计的好坏对SOC质量有着重要的影响。
一般来说，包括片上电源在内的电源电路设计主要来源于两个需求首先，负载电路消耗的电流是动态变化的，这就要求电源电路的输出电压在负载消耗电流变化的过程中能够保持恒定；其次，输入电源的电压幅度和/或稳定性不能达到负载电路正常工作的要求。在实际应用中，上述两种情况通常都存在。为了获得与输入电源和负载电路特性无关的稳定电压输出，稳压电源电路的设计通常包括与稳压输出无关的独立参考源，稳压输出的取样电路，误差放大器和调整元件。通过误差放大器将稳压输出的取样结果与参考源的数值比对后的差值放大，并驱动和负载电路相关联的调整元件来实现电源电路的稳压输出。根据调整元件和负载的连接关系，电源电路可分为并联型(图2)和串联型(图3)两种。
参见图2所示的典型的并联型稳压电路，该电路包括有输入电源的滤波电容Cf，独立参考源Vref，误差放大器25，调整元件21，取样电路23，电源输出去耦电容C，与负载电路22串联的分压电阻R；其中输入电压为Vin，电源电路的稳压输出为Vout，Vdd为误差放大器的工作电压。调整元件21和负载电路22为并联关系。
该电路的工作过程如下独立参考源Vref产生一定精度的、与工作温度/输入电压/输出电压范围都无关的参考电压，取样电路23根据稳压输出Vout产生电压幅度为V_sample的输出，当稳压输出为设计值的时候，V_sample和Vref相等，误差放大器25的输入为零，此时误差放大器25的输出Vctrl，即调整元件21的控制电压位于调整元件21调控范围的中间区域；当负载电路22的耗电流降低时，分压电阻R上的电压减小，输出电压Vout升高，V_sample也随之变化，误差放大器25的输出Vctrl增大，调整元件21的导通电流增大，从而保持输出电压Vout稳定；反之亦然。根据上述调整原理，对于输入电源Vin发生变化后的电路情形可做类似的分析。
对于并联型的电源电路，调整元件21在控制电压Vctrl为零的时候，完全关闭；当控制电压Vctrl等于Vout的时候，完全打开，因此，误差放大器25的电源Vdd可以使用稳压后的输出Vout供电。并联型电源设计简单，但是效率低。因为并联的调整元件21和负载电路22的总功耗是恒定的电流要么消耗在负载电路上，要么消耗在调整元件上，调整电路会产生有害的欧姆热。对于集成电路的片上电源系统设计，要尽可能避免产生导致芯片工作不稳定的欧姆热。
参见图3所示的典型的串联型稳压电路，该电路包括有独立参考源Vref，误差放大器35，调整元件34，取样电路31，输入电源的滤波电容Cf和电源输出去耦电容C；其中电路的输入电压为Vin，电源电路的稳压输出为Vout，误差放大器的工作电压为Vdd。调整元件34和负载电路32为串联关系。
当稳压输出Vout为设计值的时候，取样电路31的输出V_sample和独立参考源Vref相等，此时误差放大器的输出Vctrl控制调整元件34的输出电流刚好等于负载电路32的消耗电流(取样电路的电流可忽略不计)；当由于负载电路32或电源输入Vin的变化导致稳压输出增大的时候，即V_sample大于Vref，调整元件34的控制电压Vctrl升高，调整元件34的输出电流减小，稳压输出Vout降低到设计值；反之，调整元件34的输出电流增大，使稳压输出Vout升高达到设计值。
和并联稳压电路不同，串联稳压电路的调整元件34的控制电压Vctrl等于Vin时才能完全关闭，当其为零的时候导通电流最大。Vctrl是误差放大器35的输出电压，其幅度在零和误差放大器35的电源电压Vdd之间，为使调整元件34完全关闭，误差放大器35需要使用未稳定的输入电压Vin供电。
参见图4和图5展示的现有串联稳压电路的控制电路结构组成方框图及其随着输入电压Vin变化，参考源输出Vref和电源输出Vout的电压变化曲线变化图。在图5中I为死区，Vref和Vout均为零；II为过渡区，Vref开始有输出，并且在A点以后稳定。由于参考源输出Vref的电压在A点以后和Vin等无关，因此当Vin大于A点对应的电压后，参考源Vref可视为独立参考源。在此区间，误差放大器35和调整元件34也开始动作，电源电路输出的Vout与控制电压Vctrl相对应，且在过渡区结束的B点Vout达到设计值并稳定；III为正常工作区，Vref和Vout都达到并稳定在设计指标对应的电压。
串联型电源效率高，调整元件34只输出负载电路32所需的驱动电流，调整过程中产生的欧姆热较低，但是设计难度较大。因为误差放大器35的电源电压Vdd采用的是未稳定的输入电压Vin才能使其输出(即调整元件34的控制电压)Vctrl范围达到0～Vin。由于输入电压Vin不稳定，误差放大器35在输入电压Vin动态特性范围内需要具有较高的电源抑制比(PSRR)才能使输出稳定，并避免产生有害的振荡。否则需要容量很大的输入电源滤波电容Cf才能得到平滑的输入电压。在集成电路上使用容量很大的平滑滤波电容一方面很不经济；另一方面当输入电源上叠加有效数据信号时就更不能考虑平滑滤波的方法。如果采用稳压输出Vout给误差放大器35供电，则控制电压Vctrl范围变为0～Vout，调整元件34不能完全关断，电路的调整范围降低。此外，参考源Vref需要由输入电压Vin驱动，这大大增加了参考源的设计难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构创新的用于集成电路的串联稳压电源电路，该电路是根据串联稳压电路的原理，通过改善控制回路结构，使用稳压输出为参考源和误差放大器供电，在保证实现串联控制电路的优势基础上，降低整个电源电路对参考源、误差放大器和输入电源平滑滤波电容的设计要求，从而降低成本和提高电源电路对输入电压Vin与负载的适应能力，以及适宜于配合功能电路而制造单片集成电路。
本发明的目的是这样实现的一种用于集成电路的串联稳压电源电路，包括有调整元件、驱动电路、误差放大器、取样电路和独立参考源，其中参考源的输出和取样电路的电压分别送入误差放大器放大，采用未稳定的输入电压Vin供电的驱动电路的输出直接驱动调整元件，该调整元件产生稳定的输出电压Vout；其特征在于在误差放大器和驱动电路之间还设有暂态扰动电路；所述暂态扰动电路在输入电压Vin增大到零输出稳定点时，将会把稳压电路的输出Vout拉偏离开零输出的稳定点和零输出的稳定域，而当电路工作稳定后，即输入电压Vin大于正常输出点的电压后，该暂态扰动电路被隔离，不发生作用；所述独立参考源和误差放大器均由稳压后的输出电压Vout供电，使得误差放大器的输出范围在0～Vout之间；该误差放大器的输出电压经驱动电路提升到0-Vin之间。
所述暂态扰动电路的电路是由稳压电路的输出Vout控制的电压源电路或电流源电路；当该稳压电路的输出Vout未达到稳定值的时候，所述暂态扰动电路输出是所述驱动电路的有效输入，可控制该驱动电路和控制调整元件的输出电压Vout能够达到使参考源电路产生稳定输出的最低信号的要求；而当稳压电路的输出Vout达到稳定值后，所述暂态扰动电路输出接近零，不影响该驱动电路的输出。
所述暂态扰动电路的电路是由稳压电路的参考源输出Vref控制的电压源电路或电流源电路；当该稳压电路的参考源输出Vref未达到稳定值的时候，所述暂态扰动电路输出是所述驱动电路的有效输入，可控制该驱动电路和控制调整元件的输出电压Vout能够达到使参考源电路产生稳定输出的最低信号的要求；而当稳压电路的参考源输出Vref达到稳定值后，所述暂态扰动电路输出接近零，不影响该驱动电路的输出。
所述的串联稳压电路是采用PMOS、或NMOS、或CMOS、或BiCMOS、或Bipolar集成电路工艺制作的单片集成电路，或者是单片集成电路中的电源电路部分。
所述的参考源是带隙参考源Bandgap、或场效应管XFET参考源、或齐纳Zener参考源、或使用其他半导体PN结制作的简单参考源。
所述的取样电路是电阻构成的线性分压电路，或是由晶体管构成的非线性分压电路，或是由电阻和晶体管构成的非线性分压电路；其中电阻包括采用多晶硅Poly电阻或阱Well电阻的半导体工艺提供的电阻。
所述的误差放大器是单片集成放大器，或是采用集成电路工艺的片上晶体管、电阻、电容构成的放大器；其开环放大增益在60dB以上，电源抑制比在50dB@1KHz以上。
所述的驱动电路是采用单晶体管制作的放大电路；所述的调整元件是双极型晶体管、或MOS管、或由多个晶体管构成的复合管。
本发明的特点是采用稳压输出后的电源给误差放大器和参考源供电，不仅降低了对误差放大器PSRR的要求，提高了电源对输入信号的动态范围的适应能力，也降低了对输入电压前置滤波电容的容量要求，还降低了参考源设计的难度；且能在不增加静态功耗的情况下，保障电路正常工作。使用驱动电路提升了调整元件的控制电压范围，降低了调整元件的尺寸和对调整管的参数要求。采用暂态扰动电路启动，可以克服双稳态电路的缺点，破坏输出为0的稳定点，保障了电路的正常工作。
由于本发明的上述特点，其具有下列有益效果和现有的串联稳压电路相比，可以在保证高效率的前提下，使用低性能放大器实现高性能的稳压电路；使用驱动电路后，在不增加误差放大器电源抑制比的前提下，能够适应变化剧烈的输入电压。本发明电路结构简单，制作容易，可以在显著提升电路性能的前提下降低芯片面积和成本。本发明电路特别适合于制作集成电路片上电源系统。
图1为本发明电路的结构组成方框图。
图2为现在使用的并联型稳压电路的电原理图。
图3为现在使用的串联型稳压电路的电原理图。
图4为现在使用的串联稳压电路的结构组成方框图。
图5为现在使用的串联稳压电路输出和参考源输出-电源输入的电压变化曲线图。
图6为本发明电路的稳压输出和参考源输出-电源输入的电压变化曲线图。
图7为本发明电路的一实施例电路的电原理图。
具体实施例方式
参见图1，本发明是一种用于集成电路的串联稳压电源电路，包括有调整元件11、驱动电路12、误差放大器13、取样电路15和独立参考源14，其中参考源14的输出和取样电路15的电压分别送入误差放大器13放大，采用未稳定的输入电压Vin供电的驱动电路12的输出直接驱动调整元件11，该调整元件11产生稳定的输出电压Vout。本发明的改进之处是在误差放大器13和驱动电路12之间还设有暂态扰动电路16；该暂态扰动电路16在输入电压Vin增大到零输出稳定点时，将会把稳压电路的输出Vout拉偏离开零输出的稳定点(即图6的M点)，进而离开零输出的稳定域；而在电路稳定后，即输入电压Vin大于正常输出点(即图6的N点)的电压后，由于暂态扰动电路16的输入控制电压Vout(或Vref)已经达到稳定的设计值，此时，该暂态扰动电路16的输出降低至接近零，不发生作用。误差放大器13均由稳压后的输出电压Vout供电，使得误差放大器13的输出范围在0～Vout之间；且误差放大器13的输出电压经驱动电路12提升到0-Vin之间。本发明的暂态扰动电路16可采用电流控制的电压源电路或电压控制的电流源电路电路。在本发明中，暂态扰动电路16是采用由稳压电路的输出Vout或参考源输出Vref控制的电压源电路或电流源电路；当该稳压电路的输出Vout或参考源输出Vref未达到稳定值的时候，该暂态扰动电路16的输出是驱动电路12的有效输入，可控制该驱动电路12和控制调整元件11的输出电压Vout能够达到使参考源电路14产生稳定输出的最低信号的要求；而当稳压电路的输出Vout达到稳定值后，该暂态扰动电路16的输出接近零，不影响该驱动电路12的输出。
参见图6，该图表示了本发明电路随着输入电压Vin的逐渐变化，参考源14的输出Vref和稳压电路的输出Vout的变化曲线。图中I为死区，表示输入电压Vin低于电路正常工作输入的要求；II为过渡区，表示Vref和Vout都有输出，但是没有达到设计要求；III为工作区，表示Vref和Vout均达到设计指标的稳定输出。
图6的曲线和图5不同，本发明的过渡区窄而陡峭。这是因为对应图4中现在使用的串联稳压电路，其参考源33输出Vref独立于稳压输出Vout，且Vref比Vout先趋于稳定，从而产生Vref与Vout分压电路43输出之间的电压差，该电压差ΔV经误差放大器42放大后直接调整调整元件44产生设计要求的输出Vout。而本发明电路是与图1相对应，其参考源14的输出Vref依赖于稳压电源的输出Vout，而Vout的稳定又依赖于Vref，但是没有Vout就没有Vref，因此和现在使用的串联稳压电路不同，当输入电压Vin增大时，本发明的电路具有零输出和正常输出两个稳定的工作点M、N。为了破坏零输出的稳定点M，本发明电路在误差放大器13和驱动电路12之间，还设有一个暂态扰动电路16当输入电压Vin增大时，暂态扰动电路16会按图6所示的箭头方向将电路的输出Vout拉偏，离开零输出的稳定域；当电路稳定后，暂态扰动电路16被隔离，不发生作用。该暂态电路16的工作过程和其实现方法密切相关，下面结合图7所示的以CMOS工艺设计的、采用输出电压Vout控制的实施例，详细说明本发明中的暂态扰动电路16的工作过程。需要说明的是，凡是现有、已公布的能够在该电源过渡阶段将其输出Vout拉偏离零稳定点并在该电源电路工作稳定后能自动关闭的电路均可作为暂态电路。
图7是本发明采用CMOS工艺实现的一个实施例电路原理图。整个电路包括误差放大器13(由场效应管M1-M9构成的放大器)、带隙参考源14(由场效应管M10-M17、电阻R1-R2和晶体管Q1-Q3构成)、驱动电路12(由场效应管M20-M21构成的单管放大器)、取样电路15(由电阻R3-R4组成的分压电路)、调整元件11(为场效应管M19组成的压控电流源)和暂态扰动电路16(为场效应管M18组成的压控电流源)。
下面结合该实施例电路的电原理图，进一步描述本发明电路的工作过程整个电路的输出电压调整过程是通过改变调整元件11(场效应管M19)的栅控制电压Vctrl来实现的当Vctrl接近0的时候，M19的导通电阻最小，Vout有最大输出电流；当Vctrl接近Vin的时候，M19的导通电阻最大，Vout的输出电流最小。调整元件11的栅压Vctrl就是驱动电路12的输出。驱动电路12是由放大管M21和负载管M20构成的单管放大器(其中负载管M20可以采用电阻器件，因此虽然使用了两个MOS管，该电路结构仍被称为单管放大器)。暂态扰动电路16和误差放大器13的输出共同构成驱动电路12的输入电压Va。输入电压Vin从零开始逐渐增加，在从死区I进入过渡区II的时候(即图6中的M点)，稳压电源的输出Vout和参考源14的输出Vref均为零，此时暂态扰动电路16的PMOS管M18栅压为零，M18有最小导通电阻，Va主要由暂态扰动电路16(M18)决定，Va数值约等于Vin，因此，驱动电路12的输入电压(即M21的栅压)为Vin，根据放大器反向放大原理，驱动电路12输出Vctrl为零，即调整元件11的PMOS管M19的栅压为零，此时，调整元件11有最大导通，稳压电源电路的输出Vout迅速上升。当Vout满足参考源14启动电压要求时，参考源14输出稳定的参考电压Vref；此时随着电源输出Vout的进一步上升，误差放大器13开始产生输出；而暂态扰动电路16由于PMOS管M18栅压(Vout)的不断上升而导通电阻增大，导通电流降低，并渐渐关断，此时驱动电路12的输入Va主要是由误差放大器13的输出来决定。整个电路的控制反馈环工作，并稳定在设定工作点(即图6中的Vin大于N点电压的曲线右侧部分)，至此，暂态扰动电路16不会产生有效影响驱动电路12的输出，电源正常工作。
本发明的暂态扰动电路16可以由稳压输出Vout控制(如图7所示)，也可以由参考源输出Vref控制。当其控制电压为零时，暂态扰动电路16的输出可以有效控制驱动电路12，使调整元件11的输出Vout满足一定要求，即调整元件11的稳压输出Vout可以使参考源电路14产生稳定输出最低信号的电压，从而在误差放大器的输入端得到稳定的比较基准Vref；而当输出电压Vout输出稳定时，该暂态扰动电路16由于导通电流很小，不产生对驱动电路12输出Vctrl产生影响的有效输入，从而使整个电路系统稳定在设计要求的工作区域。
权利要求
1.一种用于集成电路的串联稳压电源电路，包括有调整元件、驱动电路、误差放大器、取样电路和独立参考源，其中参考源的输出和取样电路的电压分别送入误差放大器放大，采用未稳定的输入电压Vin供电的驱动电路的输出直接驱动调整元件，该调整元件产生稳定的输出电压Vout；其特征在于在误差放大器和驱动电路之间还设有暂态扰动电路；所述暂态扰动电路在输入电压Vin增大到零输出稳定点时，将会把稳压电路的输出Vout拉偏离开零输出的稳定点和零输出的稳定域，而当电路工作稳定后，即输入电压Vin大于正常输出点的电压后，该暂态扰动电路被隔离，不发生作用；所述独立参考源和误差放大器均由稳压后的输出电压Vout供电，使得误差放大器的输出范围在0～Vout之间；该误差放大器的输出电压经驱动电路提升到0-Vin之间。
2.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述暂态扰动电路的电路是由稳压电路的输出Vout控制的电压源电路或电流源电路；当该稳压电路的输出Vout未达到稳定值的时候，所述暂态扰动电路输出是所述驱动电路的有效输入，可控制该驱动电路和控制调整元件的输出电压Vout能够达到使参考源电路产生稳定输出的最低信号的要求；而当稳压电路的输出Vout达到稳定值后，所述暂态扰动电路输出接近零，不影响该驱动电路的输出。
3.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述暂态扰动电路的电路是由稳压电路的参考源输出Vref控制的电压源电路或电流源电路；当该稳压电路的参考源输出Vref未达到稳定值的时候，所述暂态扰动电路输出是所述驱动电路的有效输入，可控制该驱动电路和控制调整元件的输出电压Vout能够达到使参考源电路产生稳定输出的最低信号的要求；而当稳压电路的参考源输出Vref达到稳定值后，所述暂态扰动电路输出接近零，不影响该驱动电路的输出。
4.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的串联稳压电路是采用PMOS、或NMOS、或CMOS、或BiCMOS、或Bipolar集成电路工艺制作的单片集成电路，或者是单片集成电路中的电源电路部分。
5.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的参考源是带隙参考源Bandgap、或场效应管XFET参考源、或齐纳Zener参考源、或使用其他半导体PN结制作的简单参考源。
6.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的取样电路是电阻构成的线性分压电路，或是由晶体管构成的非线性分压电路，或是由电阻和晶体管构成的非线性分压电路；其中电阻包括采用多晶硅Poly电阻或阱Well电阻的半导体工艺提供的电阻。
7.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的误差放大器是单片集成放大器，或是采用集成电路工艺的片上晶体管、电阻、电容构成的放大器；其开环放大增益在60dB以上，电源抑制比在50dB@1KHz以上。
8.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的驱动电路是采用单晶体管制作的放大电路；
9.根据权利要求1所述的串联稳压电源电路，其特征在于所述的调整元件是双极型晶体管、或MOS管、或由多个晶体管构成的复合管。
全文摘要
一种用于集成电路的串联稳压电源电路，包括调整元件、驱动电路、误差放大器、取样电路和独立参考源，其中参考源的输出和取样电路的电压分别送入误差放大器放大，采用输入电压Vin供电的驱动电路的输出直接驱动调整元件，调整元件产生稳定输出电压Vout；其特征在于在误差放大器和驱动电路之间设有暂态扰动电路；该暂态扰动电路在输入电压Vin增大到零输出稳定点时，将会把稳压电路的输出Vout拉偏离开零输出稳定点和零输出稳定域，而当电路工作稳定后，该暂态扰动电路被隔离，不发生作用；独立参考源和误差放大器均由稳压后的输出电压Vout供电，使得误差放大器的输出范围在0～Vout之间；其输出电压经驱动电路提升到0－Vin之间。
文档编号G05F1/56GK1538260SQ200310101729
公开日2004年10月20日 申请日期2003年10月22日 优先权日2003年10月22日
发明者卢小冬, 董晓敏, 兀革 申请人:大唐微电子技术有限公司